第19章遷移金属と錯体化学

Hydroxides水酸化物

When a soluble hydroxide is added to an aqueous solution of a salt of a transition metal of the first transition series, a gelatinous precipitate forms. For example, adding a solution of sodium hydroxide to a solution of cobalt sulfate produces a gelatinous pink or blue precipitate of cobalt(II) hydroxide. The net ionic equation is:

英語のヒント

第一遷移系列の遷移金属塩の水溶液に、可溶性水酸化物を加えると、ゼラチン状の沈殿が生じる。たとえば、硫酸コバルトの溶液に水酸化ナトリウム溶液を加えると、ピンク色または青色の、ゼラチン状の水酸化コバルト(II)沈殿が生じる。正味イオン反応式は、次のとおりである。

{Co}^{2+} (a q) + {2OH}^{−} (a q) ⟶ Co {(OH)}_{2} (s)

In this and many other cases, these precipitates are hydroxides containing the transition metal ion, hydroxide ions, and water coordinated to the transition metal. In other cases, the precipitates are hydrated oxides composed of the metal ion, oxide ions, and water of hydration:

この場合や他の多くの場合、これらの沈殿は、遷移金属イオン、水酸化物イオン、および遷移金属に配位した水を含む水酸化物である。他の場合には、金属イオン、酸化物イオン、水和水からなる含水酸化物が沈殿する。

{4Fe}^{3+} (a q) + {6OH}^{−} (a q) + n H_{2} O (l) ⟶ 2 {Fe}_{2} O_{3} · (n + 3) H_{2} O (s)

These substances do not contain hydroxide ions. However, both the hydroxides and the hydrated oxides react with acids to form salts and water. When precipitating a metal from solution, it is necessary to avoid an excess of hydroxide ion, as this may lead to complex ion formation as discussed later in this chapter. The precipitated metal hydroxides can be separated for further processing or for waste disposal.

これらの物質は、水酸化物イオンを含まない。しかし、水酸化物も含水酸化物も、酸と反応して塩と水を作る。溶液から金属を沈殿させる際には、この章の後半で説明するように、錯イオンの形成につながることがあるため、水酸化物イオンを過剰にしない必要がある。沈殿した金属水酸化物は、さらなる処理や廃棄物処分のために分離できる。

Carbonates炭酸塩

Many of the elements of the first transition series form insoluble carbonates. It is possible to prepare these carbonates by the addition of a soluble carbonate salt to a solution of a transition metal salt. For example, nickel carbonate can be prepared from solutions of nickel nitrate and sodium carbonate according to the following net ionic equation:

第一遷移系列の多くの元素は、不溶性炭酸塩を作る。遷移金属塩の溶液に可溶性炭酸塩を加えることで、これらの炭酸塩を調製できる。たとえば、硝酸ニッケルと炭酸ナトリウムの溶液から、次の正味イオン反応式に従って、炭酸ニッケルを調製できる。

{Ni}^{2+} (a q) + {CO}_{3}^{2−} ⟶ {NiCO}_{3} (s)

The reactions of the transition metal carbonates are similar to those of the active metal carbonates. They react with acids to form metals salts, carbon dioxide, and water. Upon heating, they decompose, forming the transition metal oxides.

遷移金属炭酸塩の反応は、活性金属の炭酸塩の反応に似ている。酸と反応して、金属塩、二酸化炭素、水を作る。加熱すると分解し、遷移金属酸化物を生じる。

Other Saltsその他の塩

In many respects, the chemical behavior of the elements of the first transition series is very similar to that of the main group metals. In particular, the same types of reactions that are used to prepare salts of the main group metals can be used to prepare simple ionic salts of these elements.

多くの点で、第一遷移系列の元素の化学的挙動は、主族金属の挙動に非常によく似ている。特に、主族金属の塩の調製に使うのと同じ種類の反応を、これらの元素の単純なイオン性塩の調製に使うことができる。

A variety of salts can be prepared from metals that are more active than hydrogen by reaction with the corresponding acids: Scandium metal reacts with hydrobromic acid to form a solution of scandium bromide:

水素より活性の高い金属からは、対応する酸との反応によって、さまざまな塩を調製できる。金属スカンジウムは臭化水素酸と反応し、臭化スカンジウムの溶液を作る。

2Sc (s) + 6HBr (a q) ⟶ 2 {ScBr}_{3} (a q) + {3H}_{2} (g)

The common compounds that we have just discussed can also be used to prepare salts. The reactions involved include the reactions of oxides, hydroxides, or carbonates with acids. For example:

ここまで説明した一般的な化合物も、塩の調製に使うことができる。関係する反応には、酸化物、水酸化物、炭酸塩と酸との反応が含まれる。たとえば、

Ni {(OH)}_{2} (s) + 2 H_{3} O^{+} (a q) + {2ClO}_{4}^{−} (a q) ⟶ {Ni}^{2+} (a q) + {2ClO}_{4}^{−} (a q) + {4H}_{2} O (l)

Substitution reactions involving soluble salts may be used to prepare insoluble salts. For example:

可溶性塩が関わる置換反応を使って、不溶性塩を調製できる。たとえば、

{Ba}^{2+} (a q) + {2Cl}^{−} (a q) + {2K}^{+} (a q) + {CrO}_{4}^{2−} (a q) ⟶ {BaCrO}_{4} (s) + {2K}^{+} (a q) + {2Cl}^{−} (a q)

In our discussion of oxides in this section, we have seen that reactions of the covalent oxides of the transition elements with hydroxides form salts that contain oxyanions of the transition elements.

この節の酸化物の説明では、遷移元素の共有結合性酸化物と水酸化物との反応により、遷移元素のオキソ陰イオンを含む塩ができることを見た。

High Temperature Superconductors高温超伝導体

A superconductor is a substance that conducts electricity with no resistance. This lack of resistance means that there is no energy loss during the transmission of electricity. This would lead to a significant reduction in the cost of electricity.

英語のヒント

超伝導体は、抵抗なしに電気を通す物質である。抵抗がないということは、送電中にエネルギー損失がないことを意味する。これによって、電気のコストは大きく低減すると考えられる。

Most currently used, commercial superconducting materials, such as NbTi and Nb₃Sn, do not become superconducting until they are cooled below 23 K (−250 °C). This requires the use of liquid helium, which has a boiling temperature of 4 K and is expensive and difficult to handle. The cost of liquid helium has deterred the widespread application of superconductors.

英語のヒント

現在使われている商業用超伝導材料の大部分、たとえばNbTiやNb₃Snは、23 K（−250 °C）より低く冷やさなければ超伝導にならない。これには、沸点が4 Kで、高価で扱いにくい液体ヘリウムが必要となる。液体ヘリウムのコストが、超伝導体の広範な応用を妨げてきた。

One of the most exciting scientific discoveries of the 1980s was the characterization of compounds that exhibit superconductivity at temperatures above 90 K. (Compared to liquid helium, 90 K is a high temperature.) Typical among the high-temperature superconducting materials are oxides containing yttrium (or one of several rare earth elements), barium, and copper in a 1:2:3 ratio. The formula of the ionic yttrium compound is YBa₂Cu₃O₇.

1980年代の最も興味深い科学的発見の一つは、90 Kを超える温度で超伝導を示す化合物の特性が明らかになったことである。（液体ヘリウムと比べれば、90 Kは高温である。）高温超伝導材料の典型は、イットリウム（またはいくつかの希土類元素の一つ）、バリウム、銅を1:2:3の比で含む酸化物である。イオン性のイットリウム化合物の式は、YBa₂Cu₃O₇である。

The new materials become superconducting at temperatures close to 90 K (Figure 19.10), temperatures that can be reached by cooling with liquid nitrogen (boiling temperature of 77 K). Not only are liquid nitrogen-cooled materials easier to handle, but the cooling costs are also about 1000 times lower than for liquid helium.

英語のヒント

新しい材料は、90 Kに近い温度で超伝導になる（図19.10）。この温度は、液体窒素（沸点77 K）で冷却して到達できる。液体窒素で冷やす材料は扱いやすいだけでなく、冷却費も液体ヘリウムの場合の約1000分の1である。

Further advances during the same period included materials that became superconducting at even higher temperatures and with a wider array of materials. The DuPont team led by Uma Chowdry and Arthur Sleight identified Bismouth-Strontium-Copper-Oxides that became superconducting at temperatures as high as 110 K and, importantly, did not contain rare earth elements. Advances continued through the subsequent decades until, in 2020, a team led by Ranga Dias at University of Rochester announced the development of a room-temperature superconductor, opening doors to widespread applications. More research and development is needed to realize the potential of these materials, but the possibilities are very promising.

同じ時期のさらなる進歩には、さらに高い温度で超伝導になる材料や、より幅広い材料が含まれた。ウマ・チョウドリーとアーサー・スライトが率いるデュポンのチームは、110 Kもの高温で超伝導になり、しかも重要なことに、希土類元素を含まないビスマス・ストロンチウム・銅酸化物を見いだした。その後の数十年も進歩は続き、2020年には、ロチェスター大学のランガ・ディアスが率いるチームが、室温超伝導体の開発を発表し、広範な応用への道を開いた。これらの材料の潜在力を実現するには、さらなる研究開発が必要だが、その可能性は非常に有望である。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 19.10図 19.10

The resistance of the high-temperature superconductor YBa₂Cu₃O₇ varies with temperature. Note how the resistance falls to zero below 92 K, when the substance becomes superconducting.

高温超伝導体YBa₂Cu₃O₇の抵抗は、温度によって変わる。92 K未満で物質が超伝導になると、抵抗がゼロへ下がることに注目しよう。

Although the brittle, fragile nature of these materials presently hampers their commercial applications, they have tremendous potential that researchers are hard at work improving their processes to help realize. Superconducting transmission lines would carry current for hundreds of miles with no loss of power due to resistance in the wires. This could allow generating stations to be located in areas remote from population centers and near the natural resources necessary for power production. The first project demonstrating the viability of high-temperature superconductor power transmission was established in New York in 2008.

英語のヒント

これらの材料は、もろく壊れやすいため、現在は商業的な応用が妨げられているが、大きな潜在力を持ち、研究者はその実現を助けるため、工程の改善に熱心に取り組んでいる。超伝導送電線なら、電線の抵抗による電力損失なしに、何百マイルも電流を運べるだろう。これにより、発電所を人口集中地から離れた、発電に必要な天然資源の近くに配置できる可能性がある。高温超伝導体による送電の実行可能性を示す最初の計画は、2008年にニューヨークで実施された。

Researchers are also working on using this technology to develop other applications, such as smaller and more powerful microchips. In addition, high-temperature superconductors can be used to generate magnetic fields for applications such as medical devices, magnetic levitation trains, and containment fields for nuclear fusion reactors (Figure 19.11).

研究者は、この技術を用いて、より小さく高性能なマイクロチップなどの他の用途を開発することにも取り組んでいる。また、高温超伝導体は、医療機器、磁気浮上列車、核融合炉の閉じ込め磁場などの用途に必要な、磁場の生成に使うことができる（図19.11）。

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Figure 19.11図 19.11

(a) This magnetic levitation train (or maglev) uses superconductor technology to move along its tracks. (b) A magnet can be levitated using a dish like this as a superconductor. (credit a: modification of work by Alex Needham; credit b: modification of work by Kevin Jarrett)

(a) この磁気浮上列車（マグレブ）は、超伝導技術を使って軌道上を移動する。(b) このような皿を超伝導体として使うと、磁石を浮上させることができる。（クレジットa：Alex Needhamの作品を改変。クレジットb：Kevin Jarrettの作品を改変。）