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

Oxygen is one of the most reactive elements. This reactivity, coupled with its abundance, makes the chemistry of oxygen very rich and well understood.

酸素は、最も反応性の高い元素の一つである。この反応性と豊富さが組み合わさって、酸素の化学は非常に多彩で、よく理解されたものとなっている。

Compounds of the representative metals with oxygen exist in three categories (1) oxides, (2) peroxides and superoxides, and (3) hydroxides. Heating the corresponding hydroxides, nitrates, or carbonates is the most common method for producing oxides. Heating the metal or metal oxide in oxygen may lead to the formation of peroxides and superoxides. The soluble oxides dissolve in water to form solutions of hydroxides. Most metals oxides are base anhydrides and react with acids. The hydroxides of the representative metals react with acids in acid-base reactions to form salts and water. The hydroxides have many commercial uses.

典型金属と酸素との化合物は、(1) 酸化物、(2) 過酸化物と超酸化物、(3) 水酸化物の三つに分類される。酸化物を生成する最も一般的な方法は、対応する水酸化物、硝酸塩、または炭酸塩を加熱することである。金属または金属酸化物を酸素中で加熱すると、過酸化物や超酸化物が生じる場合がある。可溶性酸化物は水に溶けて、水酸化物の溶液を作る。金属酸化物の大部分は塩基無水物であり、酸と反応する。典型金属の水酸化物は、酸塩基反応で酸と反応し、塩と水を作る。水酸化物には多くの商業用途がある。

All nonmetals except fluorine form multiple oxides. Nearly all of the nonmetal oxides are acid anhydrides. The acidity of oxyacids requires that the hydrogen atoms bond to the oxygen atoms in the molecule rather than to the other nonmetal atom. Generally, the strength of the oxyacid increases with the number of oxygen atoms bonded to the nonmetal atom and not to a hydrogen.

フッ素を除くすべての非金属は、複数の酸化物を作る。非金属酸化物のほぼすべては、酸無水物である。オキソ酸が酸性を持つには、水素原子が、もう一方の非金属原子ではなく、分子内の酸素原子に結合していることが必要である。一般に、非金属原子に結合し、水素には結合していない酸素原子の数が増えると、オキソ酸の強さは増す。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 79–89練習問題 79–89

Exercise 79問題 79

Predict the product of burning francium in air.

フランシウムを空気中で燃焼させたときの生成物を予測しなさい。

Solution解き方

FrO₂

Exercise 80問題 80

Using equations, describe the reaction of water with potassium and with potassium oxide.

水とカリウム、および水と酸化カリウムとの反応を、反応式を用いて説明しなさい。

Exercise 81問題 81

Write balanced chemical equations for the following reactions:

次の反応について、係数を整えた化学反応式を書きなさい。

(a) zinc metal heated in a stream of oxygen gas

(a) 酸素ガスの気流中で金属亜鉛を加熱する。

(b) zinc carbonate heated until loss of mass stops

(b) 炭酸亜鉛を、質量の減少が止まるまで加熱する。

(d) zinc added to a solution of hydrobromic acid

(d) 臭化水素酸溶液に亜鉛を加える。

Solution解き方

(a)

2Zn (s) + O_{2} (g) ⟶ 2ZnO (s);

(b)

{ZnCO}_{3} (s) ⟶ ZnO (s) + {CO}_{2} (g);

(c)

{ZnCO}_{3} (s) + 2 {CH}_{3} COOH (a q) ⟶ Zn {({CH}_{3} COO)}_{2} (a q) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l);

(d)

Zn (s) + 2HBr (a q) ⟶ {ZnBr}_{2} (a q) + H_{2} (g)

(a)

2Zn (s) + O_{2} (g) ⟶ 2ZnO (s);

(b)

{ZnCO}_{3} (s) ⟶ ZnO (s) + {CO}_{2} (g);

(c)

{ZnCO}_{3} (s) + 2 {CH}_{3} COOH (a q) ⟶ Zn {({CH}_{3} COO)}_{2} (a q) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l);

(d)

Zn (s) + 2HBr (a q) ⟶ {ZnBr}_{2} (a q) + H_{2} (g)

Exercise 82問題 82

Write balanced chemical equations for the following reactions:

次の反応について、係数を整えた化学反応式を書きなさい。

(a) cadmium burned in air

(a) カドミウムを空気中で燃焼させる。

(b) elemental cadmium added to a solution of hydrochloric acid

(b) 塩酸溶液に単体のカドミウムを加える。

Exercise 83問題 83

Illustrate the amphoteric nature of aluminum hydroxide by citing suitable equations.

適切な反応式を挙げて、水酸化アルミニウムの両性を示しなさい。

Solution解き方

Al {(OH)}_{3} (s) + 3 H^{+} (a q) ⟶ {Al}^{3+} + 3 H_{2} O (l);

Al {(OH)}_{3} (s) + {OH}^{-} ⟶ {[Al {(OH)}_{4}]}^{−} (a q)

Al {(OH)}_{3} (s) + 3 H^{+} (a q) ⟶ {Al}^{3+} + 3 H_{2} O (l);

Al {(OH)}_{3} (s) + {OH}^{-} ⟶ {[Al {(OH)}_{4}]}^{−} (a q)

Exercise 84問題 84

Write balanced chemical equations for the following reactions:

次の反応について、係数を整えた化学反応式を書きなさい。

(a) metallic aluminum burned in air

(a) 金属アルミニウムを空気中で燃焼させる。

(b) elemental aluminum heated in an atmosphere of chlorine

(b) 塩素雰囲気中で単体のアルミニウムを加熱する。

(d) aluminum hydroxide added to a solution of nitric acid

(d) 硝酸溶液に水酸化アルミニウムを加える。

Exercise 85問題 85

Write balanced chemical equations for the following reactions:

次の反応について、係数を整えた化学反応式を書きなさい。

(a) sodium oxide added to water

(a) 水に酸化ナトリウムを加える。

(b) cesium carbonate added to an excess of an aqueous solution of HF

(b) 過剰のHF水溶液に炭酸セシウムを加える。

(d) a solution of sodium carbonate added to solution of barium nitrate

(d) 硝酸バリウム溶液に炭酸ナトリウム溶液を加える。

(e) titanium metal produced from the reaction of titanium tetrachloride with elemental sodium

(e) 四塩化チタンと単体のナトリウムとの反応から、金属チタンを生成する。

Solution解き方

(a)

{Na}_{2} O (s) + H_{2} O (l) ⟶ 2NaOH (a q);

(b)

{Cs}_{2} {CO}_{3} (s) + 2HF (a q) ⟶ 2CsF (a q) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l);

(c)

{Al}_{2} O_{3} (s) + 6 {HClO}_{4} (a q) ⟶ 2Al {({ClO}_{4})}_{3} (a q) + 3 H_{2} O (l);

(d)

{Na}_{2} {CO}_{3} (a q) + Ba {({NO}_{3})}_{2} (a q) ⟶ 2 {NaNO}_{3} (a q) + {BaCO}_{3} (s);

(e)

{TiCl}_{4} (l) + 4Na (s) ⟶ Ti (s) + 4NaCl (s)

(a)

{Na}_{2} O (s) + H_{2} O (l) ⟶ 2NaOH (a q);

(b)

{Cs}_{2} {CO}_{3} (s) + 2HF (a q) ⟶ 2CsF (a q) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l);

(c)

{Al}_{2} O_{3} (s) + 6 {HClO}_{4} (a q) ⟶ 2Al {({ClO}_{4})}_{3} (a q) + 3 H_{2} O (l);

(d)

{Na}_{2} {CO}_{3} (a q) + Ba {({NO}_{3})}_{2} (a q) ⟶ 2 {NaNO}_{3} (a q) + {BaCO}_{3} (s);

(e)

{TiCl}_{4} (l) + 4Na (s) ⟶ Ti (s) + 4NaCl (s)

Exercise 86問題 86

What volume of 0.250 M H₂SO₄ solution is required to neutralize a solution that contains 5.00 g of CaCO₃?

5.00 gのCaCO₃を含む溶液を中和するには、0.250 MのH₂SO₄溶液がどれだけの体積必要か。

Exercise 87問題 87

Which is the stronger acid, HClO₄ or HBrO₄? Why?

HClO₄とHBrO₄では、どちらが強い酸か。なぜか。

Solution解き方

HClO₄ is the stronger acid because, in a series of oxyacids with similar formulas, the higher the electronegativity of the central atom, the stronger is the attraction of the central atom for the electrons of the oxygen(s). The stronger attraction of the oxygen electron results in a stronger attraction of oxygen for the electrons in the O-H bond, making the hydrogen more easily released. The weaker this bond, the stronger the acid.

HClO₄のほうが強い酸である。似た化学式を持つ一連のオキソ酸では、中心原子の電気陰性度が高いほど、中心原子が酸素原子の電子を引きつける力が強くなるためである。酸素の電子がより強く引きつけられると、酸素がO-H結合中の電子を引きつける力も強まり、水素がより容易に放出される。この結合が弱いほど、酸は強くなる。

Exercise 88問題 88

Write a balanced chemical equation for the reaction of an excess of oxygen with each of the following. Remember that oxygen is a strong oxidizing agent and tends to oxidize an element to its maximum oxidation state.

次のそれぞれと過剰の酸素との反応について、係数を整えた化学反応式を書きなさい。酸素は強い酸化剤であり、元素を最高酸化状態まで酸化する傾向があることを思い出そう。

(a) Mg

(b) Rb

(d) C₂H₂

(e) CO

Exercise 89問題 89

Which is the stronger acid, H₂SO₄ or H₂SeO₄? Why? You may wish to review the chapter on acid-base equilibria.

H₂SO₄とH₂SeO₄では、どちらが強い酸か。なぜか。酸塩基平衡の章を復習するとよい。

Solution解き方

As H₂SO₄ and H₂SeO₄ are both oxyacids and their central atoms both have the same oxidation number, the acid strength depends on the relative electronegativity of the central atom. As sulfur is more electronegative than selenium, H₂SO₄ is the stronger acid.

H₂SO₄とH₂SeO₄は、どちらもオキソ酸であり、中心原子の酸化数も同じなので、酸の強さは中心原子の相対的な電気陰性度で決まる。硫黄はセレンより電気陰性度が高いため、H₂SO₄のほうが強い酸である。

base anhydride

塩基無水物

metal oxide that behaves as a base towards acids

酸に対して塩基として振る舞う金属酸化物。

chlor-alkali process

塩素アルカリ法

electrolysis process for the synthesis of chlorine and sodium hydroxide

塩素と水酸化ナトリウムを合成するための電気分解法。

hydrogen sulfate

硫酸水素イオン

{HSO}_{4}^{-}

ion

{HSO}_{4}^{-}

イオン。

hydrogen sulfite

亜硫酸水素イオン

{HSO}_{3}^{-}

ion

{HSO}_{3}^{-}

イオン。

hydroxide

水酸化物

compound of a metal with the hydroxide ion OH⁻ or the group −OH

金属と、水酸化物イオンOH⁻または−OH基との化合物。

nitrate

硝酸イオン、硝酸塩

{NO}_{3}^{-}

ion; salt of nitric acid

{NO}_{3}^{-}

イオン。硝酸の塩。

Ostwald process

オストワルト法

industrial process used to convert ammonia into nitric acid

アンモニアを硝酸に変えるための工業的製法。

oxide

酸化物

binary compound of oxygen with another element or group, typically containing O²⁻ ions or the group –O– or =O

酸素と他の元素または基との二元化合物。通常、O²⁻イオン、または–O–基や=O基を含む。

ozone

オゾン

allotrope of oxygen; O₃

酸素の同素体。O₃。

peroxide

過酸化物

molecule containing two oxygen atoms bonded together or as the anion,

O_{2}^{2−}

互いに結合した二個の酸素原子を含む分子、または陰イオン

O_{2}^{2−}

としての形。

photosynthesis

光合成

process whereby light energy promotes the reaction of water and carbon dioxide to form carbohydrates and oxygen; this allows photosynthetic organisms to store energy

光エネルギーが水と二酸化炭素の反応を促進して、炭水化物と酸素を作る過程。これにより、光合成生物はエネルギーを蓄えられる。

sulfate

硫酸イオン

{SO}_{4}^{2−}

ion

{SO}_{4}^{2−}

イオン。

sulfite

亜硫酸イオン

{SO}_{3}^{2−}

ion

{SO}_{3}^{2−}

イオン。

superoxide

超酸化物

oxide containing the anion

O_{2}^{-}

陰イオン

O_{2}^{-}

を含む酸化物。