第18章典型元素の金属・半金属・非金属

Key Concepts and Summary重要概念とまとめ

The elements boron, silicon, germanium, arsenic, antimony, and tellurium separate the metals from the nonmetals in the periodic table. These elements, called metalloids or sometimes semimetals, exhibit properties characteristic of both metals and nonmetals. The structures of these elements are similar in many ways to those of nonmetals, but the elements are electrical semiconductors.

英語のヒント

ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルルは、周期表で金属と非金属を隔てる元素である。metalloid、またはsemimetalとも呼ばれるこれらの半金属は、金属と非金属の両方に特徴的な性質を示す。構造は多くの点で非金属に似ているが、電気的には半導体である。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 28–43練習問題 28–43

Exercise 28問題 28

Give the hybridization of the metalloid and the molecular geometry for each of the following compounds or ions. You may wish to review the chapters on chemical bonding and advanced covalent bonding for relevant examples.

次の各化合物またはイオンについて、半金属の混成と分子の幾何学的構造を示しなさい。関連する例について、化学結合と共有結合の詳しい扱いの章を復習してもよい。

(a) GeH₄

(b) SbF₃

(d) H₂Te

(e) GeF₂

(f) TeCl₄

(g)

{SiF}_{6}^{2−}

(g)

{SiF}_{6}^{2−}

(h) SbCl₅

(i) TeF₆

Exercise 29問題 29

Write a Lewis structure for each of the following molecules or ions. You may wish to review the chapter on chemical bonding.

次の各分子またはイオンのルイス構造を書きなさい。化学結合の章を復習してもよい。

(a) H₃BPH₃

(b)

{BF}_{4}^{-}

(b)

{BF}_{4}^{-}

(d) B(CH₃)₃

(e) B(OH)₃

Solution解き方

(a) H₃BPH₃:

ホウ素原子がリン原子に単結合し、これら二つの原子がそれぞれ三つの水素原子に単結合したルイス構造である。

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(b)

{BF}_{4}^{−} :

(b)

{BF}_{4}^{−} :

ホウ素原子が四つのフッ素原子に単結合したルイス構造で、各フッ素原子は三つの非共有電子対を持つ。構造は角括弧で囲まれ、外側の上付き位置にマイナス記号がある。

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ホウ素原子が三つの臭素原子に単結合したルイス構造で、各臭素原子は三つの非共有電子対を持つ。

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(d) B(CH₃)₃:

ホウ素原子が三つの炭素原子に単結合し、各炭素原子が三つの水素原子に単結合したルイス構造である。

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(e) B(OH)₃:

ホウ素原子が三つの酸素原子に単結合したルイス構造で、各酸素原子は二つの非共有電子対を持つ。各酸素原子は一つの水素原子に単結合している。

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Exercise 30問題 30

Describe the hybridization of boron and the molecular structure about the boron in each of the following:

次の各物質について、ホウ素の混成と、ホウ素の周囲の分子構造を説明しなさい。

(a) H₃BPH₃

(b)

{BF}_{4}^{-}

(b)

{BF}_{4}^{-}

(d) B(CH₃)₃

(e) B(OH)₃

Exercise 31問題 31

Using only the periodic table, write the complete electron configuration for silicon, including any empty orbitals in the valence shell. You may wish to review the chapter on electronic structure.

周期表だけを使い、価電子殻の空の軌道も含め、ケイ素の完全な電子配置を書きなさい。電子構造の章を復習してもよい。

Solution解き方

1s²2s²2p⁶3s²3p²3d⁰.

1s²2s²2p⁶3s²3p²3d⁰。

Exercise 32問題 32

Write a Lewis structure for each of the following molecules and ions:

次の各分子およびイオンのルイス構造を書きなさい。

(a) (CH₃)₃SiH

(b)

{SiO}_{4}^{4−}

(b)

{SiO}_{4}^{4−}

(d) Si(OH)₄

(e)

{SiF}_{6}^{2−}

(e)

{SiF}_{6}^{2−}

Exercise 33問題 33

Describe the hybridization of silicon and the molecular structure of the following molecules and ions:

次の分子およびイオンについて、ケイ素の混成と分子構造を説明しなさい。

(a) (CH₃)₃SiH

(b)

{SiO}_{4}^{4−}

(b)

{SiO}_{4}^{4−}

(d) Si(OH)₄

(e)

{SiF}_{6}^{2−}

(e)

{SiF}_{6}^{2−}

Solution解き方

(a) (CH₃)₃SiH: sp³ bonding about Si; the structure is tetrahedral; (b)

{SiO}_{4}^{4−} :

sp³ bonding about Si; the structure is tetrahedral; (c) Si₂H₆: sp³ bonding about each Si; the structure is linear along the Si-Si bond; (d) Si(OH)₄: sp³ bonding about Si; the structure is tetrahedral; (e)

{SiF}_{6}^{2−} :

sp³d² bonding about Si; the structure is octahedral

(a) (CH₃)₃SiH：Siの周囲はsp³混成結合で、構造は四面体型。(b)

{SiO}_{4}^{4−} :

：Siの周囲はsp³混成結合で、構造は四面体型。(c) Si₂H₆：各Siの周囲はsp³混成結合で、構造はSi-Si結合に沿って直線状。(d) Si(OH)₄：Siの周囲はsp³混成結合で、構造は四面体型。(e)

{SiF}_{6}^{2−} :

：Siの周囲はsp³d²混成結合で、構造は八面体型。

Exercise 34問題 34

Describe the hybridization and the bonding of a silicon atom in elemental silicon.

単体のケイ素におけるケイ素原子の混成と結合を説明しなさい。

Exercise 35問題 35

Classify each of the following molecules as polar or nonpolar. You may wish to review the chapter on chemical bonding.

次の各分子を、極性または無極性に分類しなさい。化学結合の章を復習してもよい。

(a) SiH₄

(b) Si₂H₆

(d) SiF₄

(e) SiCl₂F₂

Solution解き方

(a) nonpolar; (b) nonpolar; (c) polar; (d) nonpolar; (e) polar

(a) 無極性。(b) 無極性。(c) 極性。(d) 無極性。(e) 極性。

Exercise 36問題 36

Silicon reacts with sulfur at elevated temperatures. If 0.0923 g of silicon reacts with sulfur to give 0.3030 g of silicon sulfide, determine the empirical formula of silicon sulfide.

ケイ素は高温で硫黄と反応する。0.0923 gのケイ素が硫黄と反応して0.3030 gの硫化ケイ素を生じた場合、硫化ケイ素の組成式を求めなさい。

Exercise 37問題 37

Name each of the following compounds:

次の各化合物の名称を示しなさい。

(a) TeO₂

(b) Sb₂S₃

(d) SiH₄

(e) GeH₄

Solution解き方

(a) tellurium dioxide or tellurium(IV) oxide; (b) antimony(III) sulfide; (c) germanium(IV) fluoride; (d) silane or silicon(IV) hydride; (e) germanium(IV) hydride

(a) 二酸化テルル、または酸化テルル(IV)。(b) 硫化アンチモン(III)。(c) フッ化ゲルマニウム(IV)。(d) シラン、または水素化ケイ素(IV)。(e) 水素化ゲルマニウム(IV)。

Exercise 38問題 38

Write a balanced equation for the reaction of elemental boron with each of the following (most of these reactions require high temperature):

単体のホウ素と次の各物質との反応について、係数を合わせた式を書きなさい（これらの反応の大部分は高温を必要とする）。

(a) F₂

(b) O₂

(d) Se

(e) Br₂

Exercise 39問題 39

Why is boron limited to a maximum coordination number of four in its compounds?

化合物中のホウ素の最大配位数が4に限られるのはなぜか。

Solution解き方

Boron has only s and p orbitals available, which can accommodate a maximum of four electron pairs. Unlike silicon, no d orbitals are available in boron.

ホウ素で利用できるのはs軌道とp軌道だけであり、これらに収容できる電子対は最大で四つである。ケイ素とは異なり、ホウ素には利用できるd軌道がない。

Exercise 40問題 40

Write a formula for each of the following compounds:

次の各化合物の化学式を書きなさい。

(a) silicon dioxide

(a) 二酸化ケイ素

(b) silicon tetraiodide

(b) 四ヨウ化ケイ素

(d) silicon carbide

(d) 炭化ケイ素

(e) magnesium silicide

(e) ケイ化マグネシウム

Exercise 41問題 41

From the data given in Appendix G, determine the standard enthalpy change and the standard free energy change for each of the following reactions:

付録Gのデータから、次の各反応の標準エンタルピー変化と標準自由エネルギー変化を求めなさい。

(a)

{BF}_{3} (g) + {3H}_{2} O (l) ⟶ B {(OH)}_{3} (s) + 3HF (g)

(a)

{BF}_{3} (g) + {3H}_{2} O (l) ⟶ B {(OH)}_{3} (s) + 3HF (g)

(b)

{BCl}_{3} (g) + {3H}_{2} O (l) ⟶ B {(OH)}_{3} (s) + 3HCl (g)

(b)

{BCl}_{3} (g) + {3H}_{2} O (l) ⟶ B {(OH)}_{3} (s) + 3HCl (g)

(c)

B_{2} H_{6} (g) + {6H}_{2} O (l) ⟶ 2B {(OH)}_{3} (s) + {6H}_{2} (g)

(c)

B_{2} H_{6} (g) + {6H}_{2} O (l) ⟶ 2B {(OH)}_{3} (s) + {6H}_{2} (g)

Solution解き方

(a) ΔH° = 87 kJ; ΔG° = 44 kJ; (b) ΔH° = −109.9 kJ; ΔG° = −154.7 kJ; (c) ΔH° = −510 kJ; ΔG° = −601.5 kJ

(a) ΔH° = 87 kJ、ΔG° = 44 kJ。(b) ΔH° = −109.9 kJ、ΔG° = −154.7 kJ。(c) ΔH° = −510 kJ、ΔG° = −601.5 kJ。

Exercise 42問題 42

A hydride of silicon prepared by the reaction of Mg₂Si with acid exerted a pressure of 306 torr at 26 °C in a bulb with a volume of 57.0 mL. If the mass of the hydride was 0.0861 g, what is its molecular mass? What is the molecular formula for the hydride?

Mg₂Siと酸との反応で調製したケイ素の水素化物が、体積57.0 mLの球状容器内で、26 °Cにおいて306 torrの圧力を示した。水素化物の質量が0.0861 gであった場合、その分子量はいくらか。この水素化物の分子式は何か。

Exercise 43問題 43

Suppose you discovered a diamond completely encased in a silicate rock. How would you chemically free the diamond without harming it?

英語のヒント

ケイ酸塩の岩石の中に完全に包み込まれたダイヤモンドを発見したとする。ダイヤモンドを傷めずに、化学的にどのように取り出すか。

Solution解き方

A mild solution of hydrofluoric acid would dissolve the silicate and would not harm the diamond.

薄いフッ化水素酸の溶液なら、ケイ酸塩を溶かし、ダイヤモンドを傷めないだろう。

amorphous

非晶質

solid material such as a glass that does not have a regular repeating component to its three-dimensional structure; a solid but not a crystal

ガラスのように、三次元構造に規則的な繰り返しの構成要素を持たない固体物質。固体ではあるが結晶ではない。

borate

ホウ酸塩

compound containing boron-oxygen bonds, typically with clusters or chains as a part of the chemical structure

ホウ素・酸素結合を含む化合物。通常、化学構造の一部にクラスターや鎖を持つ。

polymorph

多形

variation in crystalline structure that results in different physical properties for the resulting compound

結晶構造の違いにより、その化合物の物理的性質が異なること。

silicate

ケイ酸塩

compound containing silicon-oxygen bonds, with silicate tetrahedra connected in rings, sheets, or three-dimensional networks, depending on the other elements involved in the formation of the compounds

ケイ素・酸素結合を含む化合物。化合物の形成に関わる他の元素に応じて、ケイ酸四面体が環、シート、または三次元網目としてつながる。