プリンキピア

第18章典型元素の金属・半金属・非金属

Phosphorus Hydrogen Compoundsリンと水素の化合物

The most important hydride of phosphorus is phosphine, PH3, a gaseous analog of ammonia in terms of both formula and structure. Unlike ammonia, it is not possible to form phosphine by direct union of the elements. There are two methods for the preparation of phosphine. One method is by the action of an acid on an ionic phosphide. The other method is the disproportionation of white phosphorus with hot concentrated base to produce phosphine and the hydrogen phosphite ion:
英語のヒント
リンの最も重要な水素化物はホスフィンPH3であり、式と構造の両方の点でアンモニアに類似する気体である。アンモニアとは異なり、単体どうしの直接の結合によってホスフィンを作ることはできない。ホスフィンの調製には二つの方法がある。一つは、イオン性リン化物に酸を作用させる方法である。もう一つは、高温の濃厚な塩基による白リンの不均化であり、ホスフィンと亜リン酸水素イオンを生じる。
AlP(s)+3H3O+(aq)⟶PH3(g)+Al3+(aq)+3H2O(l)
P4(s)+4OH−(aq)+2H2O(l)⟶2HPO32−(aq)+2PH3(g)
Phosphine is a colorless, very poisonous gas, which has an odor like that of decaying fish. Heat easily decomposes phosphine (4PH3⟶P4+6H2), and the compound burns in air. The major uses of phosphine are as a fumigant for grains and in semiconductor processing. Like ammonia, gaseous phosphine unites with gaseous hydrogen halides, forming phosphonium compounds like PH4Cl and PH4I. Phosphine is a much weaker base than ammonia; therefore, these compounds decompose in water, and the insoluble PH3 escapes from solution.
英語のヒント
ホスフィンは、腐った魚のような臭いを持つ、無色で非常に有毒な気体である。熱によって容易に分解し(4PH3⟶P4+6H2),、空気中で燃焼する。主な用途は、穀物の燻蒸剤と、半導体の加工である。気体のホスフィンは、アンモニアと同様に気体のハロゲン化水素と結合し、PH4ClやPH4Iなどのホスホニウム化合物を作る。ホスフィンはアンモニアよりはるかに弱い塩基であるため、これらの化合物は水中で分解し、不溶性のPH3が溶液から抜け出す。

Sulfur Hydrogen Compounds硫黄と水素の化合物

Hydrogen sulfide, H2S, is a colorless gas that is responsible for the offensive odor of rotten eggs and of many hot springs. Hydrogen sulfide is as toxic as hydrogen cyanide; therefore, it is necessary to exercise great care in handling it. Hydrogen sulfide is particularly deceptive because it paralyzes the olfactory nerves; after a short exposure, one does not smell it.
英語のヒント
硫化水素H2Sは無色の気体であり、腐った卵や多くの温泉の不快な臭いの原因となる。硫化水素はシアン化水素と同じほど有毒なので、取り扱いには十分な注意が必要である。嗅神経を麻痺させ、短時間さらされた後には臭いを感じなくなるため、硫化水素は特に気づきにくい。
The production of hydrogen sulfide by the direct reaction of the elements (H2 + S) is unsatisfactory because the yield is low. A more effective preparation method is the reaction of a metal sulfide with a dilute acid. For example:
単体の直接反応(H2 + S)による硫化水素の生成は、収率が低いため満足な方法ではない。より効果的な調製法は、金属硫化物と希酸との反応である。たとえば、
FeS(s)+2H3O+(aq)⟶Fe2+(aq)+H2S(g)+2H2O(l)
It is easy to oxidize the sulfur in metal sulfides and in hydrogen sulfide, making metal sulfides and H2S good reducing agents. In acidic solutions, hydrogen sulfide reduces Fe3+ to Fe2+, MnO4− to Mn2+, Cr2O72− to Cr3+, and HNO3 to NO2. The sulfur in H2S usually oxidizes to elemental sulfur, unless a large excess of the oxidizing agent is present. In which case, the sulfide may oxidize to SO32− or SO42− (or to SO2 or SO3 in the absence of water):
金属硫化物や硫化水素中の硫黄は容易に酸化されるため、金属硫化物とH2Sはよい還元剤となる。酸性溶液中で、硫化水素はFe3+をFe2+に、MnO4−をMn2+に、Cr2O72−をCr3+に、HNO3をNO2に還元する。酸化剤が大過剰に存在しない限り、H2S中の硫黄は通常、単体の硫黄に酸化される。大過剰に存在する場合、硫化物はSO32−またはSO42−に(水がない場合はSO2またはSO3に)酸化されることがある。
2H2S(g)+O2(g)⟶2S(s)+2H2O(l)
This oxidation process leads to the removal of the hydrogen sulfide found in many sources of natural gas. The deposits of sulfur in volcanic regions may be the result of the oxidation of H2S present in volcanic gases.
この酸化過程は、多くの天然ガスの供給源に含まれる硫化水素の除去につながる。火山地域の硫黄の堆積は、火山ガス中のH2Sの酸化によって生じた可能性がある。
Hydrogen sulfide is a weak diprotic acid that dissolves in water to form hydrosulfuric acid. The acid ionizes in two stages, yielding hydrogen sulfide ions, HS−, in the first stage and sulfide ions, S2−, in the second. Since hydrogen sulfide is a weak acid, aqueous solutions of soluble sulfides and hydrogen sulfides are basic:
硫化水素は弱い二価酸であり、水に溶けて硫化水素酸を作る。この酸は二段階で電離し、第一段階では硫化水素イオンHS−、第二段階では硫化物イオンS2−を生じる。硫化水素は弱酸なので、可溶性の硫化物や硫化水素塩の水溶液は塩基性である。
S2−(aq)+H2O(l)⇌HS−(aq)+OH−(aq)
HS−(aq)+H2O(l)⇌H2S(g)+OH−(aq)

Halogen Hydrogen Compoundsハロゲンと水素の化合物

Binary compounds containing only hydrogen and a halogen are hydrogen halides. At room temperature, the pure hydrogen halides HF, HCl, HBr, and HI are gases.
水素とハロゲンだけを含む二元化合物が、ハロゲン化水素である。室温では、純粋なハロゲン化水素HF、HCl、HBr、HIは気体である。
In general, it is possible to prepare the halides by the general techniques used to prepare other acids. Fluorine, chlorine, and bromine react directly with hydrogen to form the respective hydrogen halide. This is a commercially important reaction for preparing hydrogen chloride and hydrogen bromide.
一般に、他の酸の調製に使う一般的な方法によって、これらのハロゲン化物も調製できる。フッ素、塩素、臭素は水素と直接反応し、それぞれに対応するハロゲン化水素を作る。これは、塩化水素と臭化水素の調製に商業的に重要な反応である。
The acid-base reaction between a nonvolatile strong acid and a metal halide will yield a hydrogen halide. The escape of the gaseous hydrogen halide drives the reaction to completion. For example, the usual method of preparing hydrogen fluoride is by heating a mixture of calcium fluoride, CaF2, and concentrated sulfuric acid:
英語のヒント
不揮発性の強酸と金属ハロゲン化物との酸塩基反応によって、ハロゲン化水素が得られる。気体のハロゲン化水素が抜け出すことで、反応は完結する方向に進む。たとえば、フッ化水素を調製する通常の方法は、フッ化カルシウムCaF2と濃硫酸の混合物を加熱することである。
CaF2(s)+H2SO4(aq)⟶CaSO4(s)+2HF(g)
Gaseous hydrogen fluoride is also a by-product in the preparation of phosphate fertilizers by the reaction of fluoroapatite, Ca5(PO4)3F, with sulfuric acid. The reaction of concentrated sulfuric acid with a chloride salt produces hydrogen chloride both commercially and in the laboratory.
気体のフッ化水素は、フルオロアパタイトCa5(PO4)3Fと硫酸との反応によってリン酸肥料を調製する際の副生成物でもある。濃硫酸と塩化物塩との反応は、工業的にも実験室でも、塩化水素を生成する。
In most cases, sodium chloride is the chloride of choice because it is the least expensive chloride. Hydrogen bromide and hydrogen iodide cannot be prepared using sulfuric acid because this acid is an oxidizing agent capable of oxidizing both bromide and iodide. However, it is possible to prepare both hydrogen bromide and hydrogen iodide using an acid such as phosphoric acid because it is a weaker oxidizing agent. For example:
英語のヒント
大部分の場合、最も安価な塩化物である塩化ナトリウムが選ばれる。硫酸は臭化物とヨウ化物の両方を酸化できる酸化剤であるため、臭化水素とヨウ化水素を硫酸によって調製することはできない。しかし、リン酸などの酸を用いれば、より弱い酸化剤であるため、臭化水素もヨウ化水素も調製できる。たとえば、
H3PO4(l)+Br−(aq)⟶HBr(g)+H2PO4−(aq)
All of the hydrogen halides are very soluble in water, forming hydrohalic acids. With the exception of hydrogen fluoride, which has a strong hydrogen-fluoride bond, they are strong acids. Reactions of hydrohalic acids with metals, metal hydroxides, oxides, or carbonates produce salts of the halides. Most chloride salts are soluble in water. AgCl, PbCl2, and Hg2Cl2 are the commonly encountered exceptions.
ハロゲン化水素はすべて水に非常によく溶け、ハロゲン化水素酸を作る。強い水素・フッ素結合を持つフッ化水素を除けば、すべて強酸である。ハロゲン化水素酸と、金属、金属水酸化物、酸化物、または炭酸塩との反応では、ハロゲン化物の塩が生じる。塩化物塩の大部分は水に溶ける。よく見られる例外は、AgCl、PbCl2、Hg2Cl2である。
The halide ions give the substances the properties associated with X−(aq). The heavier halide ions (Cl−, Br−, and I−) can act as reducing agents, and the lighter halogens or other oxidizing agents will oxidize them:
ハロゲン化物イオンは、物質にX−(aq)に由来する性質を与える。重いハロゲン化物イオン(Cl−、Br−、I−)は還元剤として働くことができ、軽いハロゲンや他の酸化剤によって酸化される。
Cl2(aq)+2e−⟶2Cl−(aq)E°=1.36V
Br2(aq)+2e−⟶2Br−(aq)E°=1.09V
I2(aq)+2e−⟶2I−(aq)E°=0.54V
For example, bromine oxidizes iodine:
たとえば、臭素はヨウ素を酸化する。
Br2(aq)+2HI(aq)⟶2HBr(aq)+I2(aq)E°=0.55V
Hydrofluoric acid is unique in its reactions with sand (silicon dioxide) and with glass, which is a mixture of silicates:
フッ化水素酸は、砂(二酸化ケイ素)およびケイ酸塩の混合物であるガラスとの反応において、独特である。
SiO2(s)+4HF(aq)⟶SiF4(g)+2H2O(l)
CaSiO3(s)+6HF(aq)⟶CaF2(s)+SiF4(g)+3H2O(l)
The volatile silicon tetrafluoride escapes from these reactions. Because hydrogen fluoride attacks glass, it can frost or etch glass and is used to etch markings on thermometers, burets, and other glassware.
英語のヒント
これらの反応では、揮発性の四フッ化ケイ素が抜け出す。フッ化水素はガラスを侵すため、ガラスをすりガラスにしたり、エッチングしたりでき、温度計、ビュレット、その他のガラス器具に目盛などを刻むのに使われる。
The largest use for hydrogen fluoride is in production of hydrochlorofluorocarbons for refrigerants, in plastics, and in propellants. The second largest use is in the manufacture of cryolite, Na3AlF6, which is important in the production of aluminum. The acid is also important in the production of other inorganic fluorides (such as BF3), which serve as catalysts in the industrial synthesis of certain organic compounds.
英語のヒント
フッ化水素の最大の用途は、冷媒用のハイドロクロロフルオロカーボンの生産、プラスチック、および噴射剤である。二番目に大きい用途は、アルミニウムの生産に重要な氷晶石Na3AlF6の製造である。また、この酸は、特定の有機化合物の工業的合成で触媒として働く、他の無機フッ化物(BF3など)の生産にも重要である。
Hydrochloric acid is relatively inexpensive. It is an important and versatile acid in industry and is important for the manufacture of metal chlorides, dyes, glue, glucose, and various other chemicals. A considerable amount is also important for the activation of oil wells and as pickle liquor—an acid used to remove oxide coating from iron or steel that is to be galvanized, tinned, or enameled. The amounts of hydrobromic acid and hydroiodic acid used commercially are insignificant by comparison.
英語のヒント
塩酸は比較的安価である。工業において重要で用途の広い酸であり、金属塩化物、染料、接着剤、グルコース、その他さまざまな化学物質の製造に重要である。また、かなりの量が油井の活性化や酸洗液として重要である。酸洗液とは、亜鉛めっき、スズめっき、またはほうろう引きをする鉄や鋼から、酸化物の被膜を除くための酸である。商業的に使われる臭化水素酸やヨウ化水素酸の量は、これと比べればごく少ない。