アルカリ金属(\ce{Li},\ \ce{Na},\ \ce{K},\ \ce{Rb},\ \ce{Cs})の単体}} \\[1zh]
\maru1\ \ \ce{H}以外の1族元素を\textbf{\textcolor{blue}{アルカリ金属}}という. \\[.2zh]
\ \ \textbf{\textcolor{cyan}{反応性が非常に高く}},\ \textbf{\textcolor{red}{天然には単体として存在しない}.} \\[.6zh]
\maru2\ \ 塩化物の\textbf{\textcolor{red}{溶融塩電解}}(水で薄めずに塩を直接電気分解すること)によって得られる. \\[.6zh]
\maru3\ \ \textbf{柔らかく, 密度は小さい(\textcolor{blue}{軽金属})}.\ \ \ce{Li},\ \ce{Na},\ \ce{K}は水に浮く(1g/cm$^3$以下). \\[.6zh]
\maru4\ \ \textbf{\textcolor{magenta}{単体の融点は,\ 原子番号が小さいほど高い.}} $\ce{Li}>\ce{Na}>\ce{K}>\ce{Rb}>\ce{Cs}$ \\[.6zh]
\maru5\ \ \textbf{\textcolor{cyan}{常温の水と激しく反応}}して, \textbf{\textcolor{red}{水素を発生}}し, \textbf{\textcolor{red}{強塩基}水溶液が生成}する. \\[.2zh]
\ \ {\boldmath \rei\ \ $\ce{2Na + 2H2O -> 2}\textcolor{red}{\ce{NaOH}} + \textcolor{red}{\ce{H2 ^}}$} (\textcolor[named]{ForestGreen}{酸化還元反応}) \\[.6zh]
\maru6\ \ 水と反応し,\ \textbf{\textcolor{red}{空気中ですぐに酸化}}され光沢が消えるため, \textbf{\textcolor{red}{石油中に保存}}(\ce{Li}のみ浮く). \\[.6zh]
\maru7\ \ \textbf{炎色反応}のゴロ合わせ \\[.2zh]
% \ce{Na2O + H2O -> 2NaOH} (塩基性酸化物+水→水酸化物) \\\\\\
原子番号が大きいほど原子半径が大きく,\ 原子核と価電子との電気的引力が弱くなる. \\[.2zh]
\ \ すると,\ 価電子が放出されやすくなり,\ 反応性が高くなる. \\[.2zh]
\ \ つまり,\ \bm{原子番号が大きいほど,\ イオン化エネルギーが小さくなる(陽イオンになりやすい)}. \\[1zh]
\maru2\ \ \bm{イオン化傾向が大きすぎて,\ 水溶液を電気分解すると先に水が還元されて水素になってしまう.} \\[.2zh]
\ \ そこで,\ 塩そのものを直接電気分解することでしか単体を得ることができない(溶融塩電解). \\[1zh]
\maru3\ \ 原子番号が大きいほど,\ 密度が大きくなる. \ce{Li}<\ce{Na}<\ce{K}<\ce{Rb}<\ce{Cs} (すべて体心立方格子) \\[1zh]
\maru4\ \ 原子番号が大きいほど原子半径が大きく,\ 単位体積当たりの自由電子の数が少なくなる. \\[.2zh]
\ \ すると,\ 金属結合が弱くなり,\ 融点が低くなる. \\[1zh]
\maru5\ \ (酸化剤) \ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-} (還元剤) \ce{Na -> Na+ + e-} \\[.4zh]
\ \ アルカリ金属は塩素とも反応する. \rei\ \ \ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl} \\[1zh]
\maru7\ \ 炎色反応の操作 \bm{白金線につけた試料水溶液をガスバーナーの外炎に入れる.}
水酸化ナトリウム \ce{NaOH} と 水酸化カリウム \ce{KOH}}} \\[1zh]
\textbf{\textcolor{blue}{\ce{NaOH}}の製法} \textbf{\textcolor{cyan}{\ce{NaCl}水溶液を電気分解}(\textcolor{red}{イオン交換膜法})}. (詳細は理論化学) \\[.2zh]
\textbf{\ce{2NaCl + 2H2O -> 2}\textcolor{red}{\ce{NaOH}} \ce{ + } \ce{H2 ^ + Cl2 ^}} \\[1zh]
\textbf{共通性質} \maru1\ \ $\bm{\textcolor{Purple}{白色の固体}}で,\ \bm{\textcolor{red}{水に溶けて強塩基性}}を示し,\ 皮膚や粘膜を激しく侵す.$ \\[.5zh]
\maru2\ \ \textbf{\textcolor{red}{潮解性(空気中の水分を吸収して溶ける)}}がある. \\[.5zh]
\maru3\ \ \textbf{\textcolor{cyan}{二酸化炭素をよく吸収し,\ 炭酸塩を形成}}する. \\[.2zh]
\ \ \ \ \text{$\textbf{\ce{2NaOH + CO2 ->} \textcolor{red}{\ce{Na2CO3}} + \ce{H2O}}$\ 塩基+酸性酸化物\ →\ 塩+水}$)} \\[.4zh]
\ \ \textbf{\textcolor{cyan}{さらに二酸化炭素を吸収させると,\ 炭酸水素塩を生成}}する. \\[.2zh]
$\textbf{\ce{Na2CO3 + H2O + CO2 ->} \ce{2}\textcolor{red}{\ce{NaHCO3
\bm{\ce{NaOH},\ \ce{KOH},\ \ce{MgCl2},\ \ce{CaCl2},\ \ce{FeCl3}}\ などが潮解性を示す. \\[.4zh]
イオン結合が比較的弱い物質は,\ 水分子が割り込みやすい.\ また,\ \ce{OH-}は水分子との親和性が大きい. \\[1zh]
炭酸水素塩が生成する反応式の根幹は,\ \bm{\ce{CO3^2- + H2CO3 -> 2HCO3^-}}\ である. \\[.4zh]
炭酸は,\ \ce{H2CO3 -> H+ + HCO3^-}\,(第1電離)が起こりやすい. \\[.4zh]
一方で,\ \ce{HCO3^- -> H+ + CO3^2-}\,(第2電離)は起こりにくい. \\[.4zh]
よって,\ \ce{H2CO3}\,から1個の\ce{H+}が\ce{CO3^2-}に受け渡されて安定するわけである.
炭酸ナトリウム \ce{Na2CO3} と 炭酸水素ナトリウム \ce{NaHCO3}}} \\[1zh]
Na2CO3}} & \textcolor{blue}{\ce{NaHCO
水に}} & \textcolor{red}{ よく溶けて塩基性 } & \textcolor{magenta}{少し溶けて弱塩基性} \\
& \text{\ce{CO3^2- + H2O <=> HCO3-} + \textcolor{red}{\ce{OH-}}} & \text{\ce{HCO3^- + H2O <=> H2CO3} + \textcolor{magenta}{\ce{OH-}}} \\[.2zh]\hline
加熱 & 変化なし & \textcolor{cyan}{\ce{CO2}\,を出して\ce{Na2CO3}} \\[.2zh]\hline
\multirow{3}*{\textbf{塩酸}} & \multicolumn{2}{c|}{\textcolor{red}{炭酸塩+強酸で弱酸\ce{CO2}\,発生}\text{(\textcolor[named]{ForestGreen}{弱酸の遊離
Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + H2O} + \textcolor{red}{\ce{CO2 ^}}}} \\
& \multicolumn{2}{l|}{\text{ \ce{NaHCO3 + HCl -> NaCl + H2O} + \textcolor{red}{\ce{CO2 ^}}}} {無色結晶}}の$\bm{\textcolor{blue}{\ce{Na2CO3}\cdot\ce{10H2O}}}$は, \textbf{\textcolor{red}{風解性}}(\textcolor[named]{ForestGreen}{結晶が自然に水和水を失う})をもつ. \\[.2zh]
空気中に放置すると, 自然に水和水を失い,\ \textbf{\textcolor{cyan}{$\bm{\ce{Na2CO3}\cdot\ce{H2O}}$}}の\textbf{\textcolor{Purple}{白色粉末}}になる. \\[1zh]
\textbf{用途} \textbf{\textcolor{blue}{\ce{Na2CO3}}}：ガラスの原料や洗剤. \\[.5zh]
\textbf{\textcolor{blue}{\ce{NaHCO3}}}：\textbf{\textcolor{magenta}{\rubytiny{重曹}{じゅうそう}}}とも呼ばれ, \textbf{\textcolor{red}{ベーキングパウダーや胃腸薬}}.
\ce{NaHCO3}\ を加熱すると,\ \bm{\ce{2NaHCO3 ->[加熱] Na2CO3 + H2O + CO2}}\ が起こる. \\[.4zh]
これは,\ \ce{Na2CO3}\,に\ce{CO2}\,を過剰に吸収させたときの逆反応である. \\[.4zh]
加熱により\ce{CO2}\,が反応系から追い出されることで,\ 反応が進行する. \\[1zh]
イオン化傾向が大きい\ce{Na}の化合物は基本的に水によく溶けるが,\ \ce{NaHCO3}\,のみ沈殿する. \\[.2zh]
また,\ \ce{NaHCO3}\,は弱塩基性を示すから,\ 胃酸を中和できる.
炭酸ナトリウム\ce{Na2CO3}\,の工業的製法}（\textcolor{red}{アンモニアソーダ(ソルベー)法}）} \\[1zh]
主反応} \ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NH4Cl} + \textcolor{red}{\ce{NaHCO3 v}} \\[.2zh]
& \text{\maru2}\ \ \textcolor{cyan}{主反応} \ce{2NaHCO3 ->[][\textcolor{orange}{加熱}]} \textcolor{red}{\ce{Na2CO3}} + \ce{H2O + CO2} \\[.2zh]
& \text{\maru3}\ \ 副反応 \textcolor{red}{\ce{CaCO3}} \ce{->[][\textcolor{orange}{加熱}] CaO + CO2} \\[.2zh]
& \text{\maru4}\ \ 副反応 \ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2} \\[.2zh]
+ & \text{\maru5}\ \ 副反応 \ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 ->} \textcolor{red}{\ce{CaCl2}} + \ce{2NH3 + 2H2O} \\[.2zh] \hline
& \ \textcolor{cyan}{合体式} \ \textcolor{red}{\ce{CaCO3 + 2NaCl -> Na2CO3 + CaCl2}}
合体式の反応を起こし,\ 炭酸ナトリウム\ce{Na2CO3}\,を得ることが目標である. \\[.4zh]
しかし,\ 合体式の中では沈殿するのが\ce{CaCO3}\,であるから,\ 自然にはむしろ左向きに反応が進行する. \\[.4zh]
そこで,\ アンモニア\,を介在させた複雑な過程を経て\ce{Na2CO3}\,(ソーダ灰)\,を製造することになる. \\[1zh]
\maru1\ \ 飽和食塩水にまずアンモニアを飽和させ,\ 次に二酸化炭素を通じる. \\[.2zh]
\ \ \bm{\ce{NH3}を先に吹き込むことで溶液を塩基性になり,\ 酸性気体の\ce{CO2}\,が溶けやすくなる.} \\[.4zh]
\ \ この反応で,\ \ce{NaCl},\ \ce{NaHCO3},\ \ce{NH4Cl},\ \ce{NH4HCO3}\ の4通りの化合物ができる可能性がある. \\[.4zh]
\ \ この4つのうち最も溶解度が小さい\ce{NaHCO3}\,が沈殿することで反応が右に進行する. \\[1zh]
\maru2\ \ \maru1で得られた\ce{NaHCO3}\,を加熱分解して\ce{Na2CO3}\,が得られる. \\[.4zh]
\ \ 同時に生成される\ce{CO2}\,は\maru1で再利用する. \\[1zh]
\maru3\ \ \maru2から回収される\ce{CO2}\,の不足分は,\ 石灰石\ce{CaCO3}\,を熱分解して補う. \\[.4zh]
\ \ (「塩基性酸化物+酸性酸化物\ →\ 塩」の逆反応) \\[1zh]
\maru4\ \ 「塩基性酸化物+水\ →\ 水酸化物」で,\ \maru3で得た\ce{CaO}を\ce{Ca(OH)2}\,にする. \\[1zh]
\maru5\ \ \maru1の\ce{NH4Cl}と\maru4の\ce{Ca(OH)2}\,から弱塩基の遊離反応で\ce{NH3}\,を得て,\ \maru1で再利用する. \\[.4zh]
\ \ この反応で\maru1で使用する\ce{NH3}\,の全量を回収できる.\ つまり,\ \bm{\ce{NH3}\,は理論上消費されていない.} \\[1zh]
\maru1\times2+\maru2+\maru3+\maru4\ により,\ 合体反応式が得られる(暗記推奨). \\[.2zh]
\ce{Na2CO3}\,と同時に得られる\ce{CaCl2}\,は,\ 乾燥剤,\ 融雪剤として利用される.
アンモニアソーダ法で炭酸ナトリウムを106\,kg得るには,\ 何kgの塩化ナトリウムが \\[.2zh]
\hspace{.5zw}必要か.\ ただし,\ $\ce{NaCl}=58.5,\ \ce{Na2CO3}=106$\ とする. \\
合体反応式は \textcolor{cyan}{\ce{CaCO3 + 2NaCl -> Na2CO3 + CaCl2}} \\[.2zh]
よって,\ \textcolor{red}{1molの\ce{Na2CO3}\,を得るには,\ 2molの\ce{NaCl}が必要}である. \\[.5zh]
ここで,\ \ce{Na2CO3}\,106\,kgは\ $\bunsuu{106000\ \text{[g]}}{106\ \text{[g/mol]}}=1000$\,mol\ である. \\[.2zh]
ゆえに,\ 2000molの\ce{NaCl}が必要である.
