両性金属(\ce{Al}, \ce{Zn}, \ce{Sn}, \ce{Pb})の単体・酸化物・水酸化物の基本的反応}} \\[1zh]
\maru1\ \ ゴロ合わせ \textbf{「\textcolor{magenta}{あ}(\ce{Al})\textcolor{magenta}{あ}(\ce{Zn})\textcolor{magenta}{すん}(\ce{Sn})\textcolor{magenta}{なり}(\ce{Pb})\textcolor{magenta}{と両性に愛される}$\bm{\textcolor{magenta}{\heartsuit}}$」} \\[.2zh]
\ \ 13族の\ce{Al}と14族の\ce{Sn},\ \ce{Pb}は典型金属元素だが,\ \textbf{\textcolor{Purple}{12族の\ce{Zn}は遷移元素}}である. \\[1zh]
\maru2\ \ \textbf{\textcolor{blue}{\ce{Al}と\ce{Zn}の単体・酸化物・水酸化物}}はいずれも, \textbf{\textcolor{red}{酸とも塩基とも反応}}する. \\[.2zh]
\ \ \textbf{\textcolor{blue}{単体}}の場合に限り, \textbf{\textcolor{red}{酸・塩基と反応すると\ce{H2}が発生}}する.単体\,＋\,酸}} & \ce{2Al + 6HCl -> 2}\textcolor{cyan}{\ce{AlCl3}} + \ce{3}\textcolor{red}{\ce{H2 ^}} (\textcolor[named]{ForestGreen}{酸化還元反応}) \\
\textbf{\textcolor{blue}{単体\,＋\,塩基}} & \ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2}\textcolor{magenta}{\ce{Na[Al(OH)4]}} + \ce{3}\textcolor{red}{\ce{H2 ^}} \\[.2zh] \hline
\textbf{\textcolor{blue}{酸化物\,＋\,酸}} & $\ce{Al2O3 + 6HCl -> 2}\textcolor{cyan}{\ce{AlCl3}} + \ce{3H2O}$ \ \ (\textcolor[named]{ForestGreen}{中和}) \\
\textbf{\textcolor{blue}{酸化物\,＋\,塩基}} & \ce{Al2O3 + 2NaOH + 3H2O -> 2}\textcolor{magenta}{\ce{Na[Al(OH)4]}} \\[.2zh] \hline
\textbf{\textcolor{blue}{水酸化物\,＋\,酸}} & $\ce{Al(OH)3 + 3HCl ->} \textcolor{cyan}{\ce{AlCl3}} + \ce{3H2O}$ \hspace{.3zw}(\textcolor[named]{ForestGreen}{中和}) \\
\textbf{\textcolor{blue}{水酸化物\,＋\,塩基}} & \ce{Al(OH)3 + NaOH ->} \textcolor{magenta}{\ce{Na[Al(OH)4]}} (\textcolor[named]{ForestGreen}{錯イオン形成反応}) \\[.2zh]
単体・酸化物・水酸化物}}いずれもHCl}と反応して & \textcolor{cyan}{塩\ce{AlCl3}} \\[.2zh]
\ce{NaOH}と反応して & \textcolor{magenta}{塩\ \ \hspace{-4zh}\underset{テトラヒドロキシドアルミン酸ナトリウム}{\ce{Na[Al(OH)4]単体\,＋\,酸}} & \ce{Zn + 2HCl -> }\textcolor{cyan}{\ce{ZnCl2}} + \textcolor{red}{\ce{H2 ^}} 酸化還元反応}) \\
\textbf{\textcolor{blue}{単体\,＋\,塩基}} & \ce{Zn + 2NaOH + 2H2O -> }\textcolor{magenta}{\ce{Na2[Zn(OH)4]}} + \ce{3}\textcolor{red}{\ce{H2 ^}} \\[.2zh] \hline
\textbf{\textcolor{blue}{酸化物\,＋\,酸}} & $\ce{ZnO + 2HCl -> }\textcolor{cyan}{\ce{ZnCl2}} + \ce{H2O}$ \ \ (\textcolor[named]{ForestGreen}{中和}) \\
\textbf{\textcolor{blue}{酸化物\,＋\,塩基}} & \ce{ZnO + 2NaOH + H2O -> }\textcolor{magenta}{\ce{Na2[Zn(OH)4]}} \\[.2zh] \hline
\textbf{\textcolor{blue}{水酸化物\,＋\,酸}} & $\ce{Zn(OH)2 + 2HCl ->} \textcolor{cyan}{\ce{ZnCl2}} + \ce{2H2O}$ \hspace{.3zw}(\textcolor[named]{ForestGreen}{中和}) \\
\textbf{\textcolor{blue}{水酸化物\,＋\,塩基}} & \ce{Zn(OH)2 + 2NaOH ->} \textcolor{magenta}{\ce{Na2[Zn(OH)4]}} (\textcolor[named]{ForestGreen}{錯イオン形成反応}) \\[.2zh]
単体・酸化物・水酸化物}}いずれも$\bm{\begin{cases}
\ce{HCl}と反応して & \textcolor{cyan}{塩\ce{ZnCl2}} \\[.2zh]
\ce{NaOH}と反応して & \textcolor{magenta}{塩\ \ \hspace{-4zh}\underset{テトラヒドロキシド亜鉛(\text{I\hspace{-.1em}I})酸ナトリウム}{\ce{Na2[Zn(OH)4]
12族は性質が典型元素に近いため,\ 遷移元素に含めない場合がある(以前の高校化学). \\[.2zh]
現在の教科書では\ce{Zn}は遷移金属の項で扱われているが,\ 当サイトでは両性金属のくくりで扱う. \\[1zh]
(単体+酸)\ \ 根幹は\ \ce{2Al + 6H+ -> 2Al^3+ + 3H2}\ (イオン化傾向\ce{Al}>\ce{H}に起因する酸化還元反応) \\[.2zh]
(酸化物+酸) 両性酸化物+酸\ →\ 塩+水 (中和) \\[.2zh]
(水酸化物+酸) 両性水酸化物+酸\ →\ 塩+水 (中和) \\[1zh]
塩基との反応は,\ 水酸化物との錯イオン形成反応\ \ce{Al(OH)3 + OH- -> [Al(OH)4]^-}\ を基準にする. \\[.4zh]
単体と酸化物は,\ 一旦水と反応して水酸化物となった後に錯イオンを形成すると考える. \\[.5zh]
\begin{array}{lllll}
& \ce{2Al + 6H2O} & \ce{->} & \teisei{\ce{2Al(OH)3}} + \ce{3H2} & (水を酸と考えて,\ 単体+酸) \\[.4zh]
+) & \teisei{\ce{Al(OH)3}} + \ce{OH-} & \ce{->} & \ce{[Al(OH)4]-} \times2 & (錯イオン形成反応) \\[.4zh]\hline
& \ce{2Al + 2OH- + 6H2O} & \ce{->} & \ce{2[Al(OH)4]- + 3H2}
& \ce{Al2O3 + 3H2O} & \ce{->} & \teisei{\ce{2Al(OH)3}} & (酸化物+水\ →\ 水酸化物) \\[.4zh]
+) & \teisei{\ce{Al(OH)3}} + \ce{OH-} & \ce{->} & \ce{[Al(OH)4]-} \times2 & (錯イオン形成反応) \\[.4zh]\hline
& \ce{Al2O3 + 2OH- + 3H2O} & \ce{->} & \ce{2[Al(OH)4]-
反応式が重要なのは\ce{Al}と\ce{Zn}である.\ \ \ce{Sn}と\ce{Pb}は単純ではなく,\ 出題の可能性は低い. \\[.2zh]
万一\ce{Sn},\ \ce{Pb}の反応式が問われた場合,\ \ce{Zn}の反応式の\ce{Zn}をそのまま\ce{Sn},\ \ce{Pb}に置き換えればよい. \\[.2zh]
\rei\ \ \ce{Sn + 2HCl -> SnCl2 + H2 ^} \\[.4zh]
ただし,\ \bm{\ce{Pb}は不溶性の塩\ce{PbCl2},\ \ce{PbSO4}\,に表面が覆われるため,\ \ce{HCl},\ \ce{H2SO4}\,とは反応しない.} \\[.4zh]
硝酸\ce{HNO3}\,とならば,\ \ce{Pb + 2HNO3 -> Pb(NO3)2 + H2 ^}\ となる.
アルミニウム\ce{Al}単体の反応性}} \\[1zh]
\maru1\ \ \textbf{\textcolor{red}{\underline{高温}の水蒸気}}と反応して,\ \textbf{\textcolor{red}{水素を発生}}する. \\[.2zh]
\ \ $\ce{2Al + 6H2O -> 2Al(OH)3 + 3}\textcolor{red}{\ce{H2 ^}}$ (\textcolor[named]{ForestGreen}{水を酸と考えて,\ $単体+酸$}) \\[.8zh]
\maru2\ \ 空気中では表面に\textbf{\textcolor{cyan}{\rubytiny{緻密}{ちみつ}な酸化物\ce{Al2O3}の被膜}}ができる(\textbf{\textcolor{red}{不動態}}). \\[.2zh]
\ \ \textbf{人工的に酸化被膜をつけて強度と外観を向上させた製品}を\textbf{\textcolor{red}{アルマイト}}という. \\[.8zh]
\maru3\ \ 基本的に酸に溶けるが,\ \textbf{\textcolor{cyan}{\.{濃}硝酸}}には\textbf{\textcolor{red}{不動態となり溶けない.}} \\[.5zh]
\ \ 濃硝酸で不動態となる金属ゴロ合わせ
\maru4\ \ \textbf{強い光とともに激しく燃焼する(\textcolor{magenta}{金属中最大の燃焼熱}).} \\[.1zh]
\ \ $\bm{\ce{Al} + \bunsuu{\ce{3}}{\ce{4}}\ce{O2 ->} \bunsuu{\ce{1}}{\ce{2}}\ce{Al2O3} \Delta H=-\,837}$\,\textbf{kJ} \\[.8zh]
\maru5\ \ \textbf{\textcolor{cyan}{\ce{Al}粉末}}と\textbf{\textcolor{cyan}{酸化鉄(I\hspace{-.1em}I\hspace{-.1em}I)}}の混合物(\textbf{\textcolor{red}{テルミット}})に点火すると, \textbf{\textcolor{red}{融解した鉄}}が得られる. \\[.2zh]
\ \ 反応熱により得られる\textbf{\textcolor{magenta}{3000℃の高温が溶接に利用}}される. \\[.2zh]
\ \ $\bm{\ce{2Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2}\textcolor{red}{\ce{Fe}} \Delta H=-\,852}$\,\textbf{kJ} (\textcolor[named]{ForestGreen}{テルミット反応}) \\[.2zh]
\ \ \textcolor[named]{ForestGreen}{酸化しやすい(相手を還元しやすい)\,\ce{Al}により,\ 金属の酸化物を還元して単体を得る.} \\\\\\
\textcolor{blue}{\textbf{アルミニウム\ce{Al}単体の製法}}
\textcolor{cyan}{ボーキサイト} & \ce{NaOH} & & \ce{H2O} & & 強熱 & \textcolor{cyan}{アルミナ} & \textcolor{red}{溶融塩電解} & \\ [-0.5zh]
\textcolor{magenta}{\ce{Al2O3}\cdot n\ce{H2O}} & \ce{->[ ]} & \textcolor{magenta}{\ce{Na[Al(OH)4]}} & \ce{->[ ]} & \textcolor{magenta}{\ce{Al(OH)3}} & \ce{->[ ]} & \textcolor{red}{\ce{Al2O3}} & \ce{->[ ]} & \textcolor{red}{\ce{Al}} \\
バイヤー法}}\ （ボーキサイト\,\ce{Al2O3}\,$\cdot\ n$\,\ce{H2O}\ \ce{->}\ アルミナ\,\ce{Al2O3}） \\[1zh]
\maru1\ \ \textbf{\textcolor{cyan}{ボーキサイト}}に\textbf{\textcolor{red}{\ce{NaOH}水溶液を加えて加熱溶解}}させる. \\[.2zh]
\ \ \ce{Al2O3 + 2NaOH + 3H2O -> 2Na[Al(OH)4]} \\[.7zh]
\maru2\ \ テトラヒドロキシドアルミン酸ナトリウム\,\textbf{\textcolor{cyan}{\ce{Na[Al(OH)4]}\,を加水分解}}する. \\[.2zh]
\ \ \ce{Na[Al(OH)4] -> Al(OH)3 v + NaOH} 錯イオン形成反応の逆}) \\[.7zh]
\maru3\ \ \textbf{\textcolor{cyan}{\ce{Al(OH)3}\,を強熱}}(1200℃)して\textbf{\textcolor{red}{アルミナ\,\ce{Al2O3}}}\,を得る. \\[.2zh]
\ \ \ce{2Al(OH)3 -> Al2O3 + 3H2O} (\textcolor[named]{ForestGreen}{$酸化物+水\ →\ 水酸化物の逆$}) \\\\
\textbf{\textcolor{blue}{ホール・エルー法}}\ （アルミナ\,\ce{Al2O3}\ \ce{->}\ 単体\ce{Al}） \\[1zh]
\textbf{\textcolor{cyan}{アルミナ\,\ce{Al2O3}}}に, \textbf{融点を下げる}ための\textbf{\textcolor{magenta}{氷晶石}}(\ce{Na3AlF6})を加え, \textbf{\textcolor{red}{溶融塩電解}}する. \\[.5zh]
\ \ {\boldmath $\begin{cases}
陽極\ ：\ce{C + 2O^2- -> CO2 + 4e-} & (\textcolor{red}{炭素電極が消費され,\ 小さくなる}) \\[.2zh]
陰極\ ：\ce{Al^3+ + 3e- ->} \textcolor{red}{\ce{Al}} & (\textcolor{red}{\ce{Al}が析出})
イオン化傾向の大きい金属(\ce{Li},\ \ce{K},\ \ce{Ca},\ \ce{Na},\ \ce{Mg},\ \ce{Al})は,\ 溶融塩電解で単体を得る. \\[.2zh]
\bm{溶融塩電解} \bm{水を加えずに塩そのものを直接電気分解する.}
両性金属とその化合物の性質と用途}} \\[1zh]
\maru1\ \ 地殻中の元素の存在比(質量\%)が大きい順
\maru2\ \ \textbf{\textcolor{blue}{\ce{Al}単体}} 銀白色の柔らかい\textbf{軽金属}で,\ \textbf{電気・熱伝導性が高い.} \\[.2zh]
\ \ \phantom{\textbf{\textcolor{blue}{\ce{Al}単体}}} 展性・延性があり,\ 加工しやすい.\ アルミ箔やアルミ缶などに利用. \\[.2zh]
\ \ \phantom{\textbf{\textcolor{blue}{\ce{Al}単体}}} ボーキサイトから単体を得るときの3\%のエネルギーでリサイクル可能. \\[1zh]
\maru3\ \ \textbf{\textcolor{blue}{\ce{Zn}単体}} 銀白色の柔らかい重金属. \\[.2zh]
\ \ \phantom{\textbf{\textcolor{blue}{\ce{Zn}単体}}} 閃亜鉛鉱\ce{ZnS}から\ce{ZnO}を作り,\ これを\ce{C}で還元して得られる. \\[.2zh]
\ \ \phantom{\textbf{\textcolor{blue}{\ce{Zn}単体}}} \ce{ZnO + C ->[高温] Zn + CO} \\[1zh]
\maru4\ \ \textbf{\textcolor{blue}{\ce{ZnO}}} \,\textbf{亜鉛\rubytiny{華}{か}}とも呼ばれる白色粉末で, \textbf{医薬品や白色顔料}として利用される. \\[1zh]
\maru5\ \ \textbf{\textcolor{blue}{\ce{Zn(OH)2}}} \textbf{\textcolor{red}{過剰のアンモニア水に溶け,\ 無色水溶液}}となる. \\[.4zh]
\ \ $\bm{\ce{Zn(OH)2 + 4NH3 ->} \hspace{-1.5zh}\underset{テトラアンミン亜鉛(\textbf{I\hspace{-.1em}I})イオン}{\ce{[Zn(NH3)4]^2+}}\hspace{-1zw}+\ce{2OH-}}$ \\[1zh]
\maru6\ \ \textbf{\textcolor{blue}{\ce{Sn}単体}} 銀白色の柔らかい重金属.\ スズ石\ce{SnO2}\,を\ce{C}で還元して得られる. \\[1zh]
\maru7\ \ \textbf{\textcolor{blue}{\ce{Pb}単体}} 青灰色の柔らかい重金属.\ 主に\textbf{鉛蓄電池の負極}や\textbf{\textcolor{red}{X線の遮蔽剤}}として利用. \\[.2zh]
\ \ \phantom{\textbf{\textcolor{blue}{\ce{Pb}単体}}} 方鉛鉱\ce{PbS}から\ce{PbO}を作り,\ これを\ce{C}で還元して得られる. \\[.2zh]
\ \ \phantom{\textbf{\textcolor{blue}{\ce{Pb}単体}}} \textbf{\textcolor{cyan}{不溶性の塩\ce{PbCl2}, \ce{PbSO4}\,に表面が覆われる}}ため,\ \textbf{\textcolor{red}{塩酸・硫酸には不溶.}} \\[.2zh]
\ \ \phantom{\textbf{\textcolor{blue}{\ce{Pb}単体}}} 耐食性がよく加工しやすいが,\ \textbf{\textcolor{red}{毒性}}があるので利用は減少傾向にある. \\[1zh]
\maru8\ \ \textbf{\textcolor{blue}{\ce{Pb}の酸化物}} \textbf{\textcolor{blue}{\ce{PbO}}(\setlength{\fboxsep}{0pt}\colorbox{yellow}{黄色})：黄色顔料 \textcolor{blue}{\ce{PbO2}}(\textcolor[named]{BrickRed}{褐色})：鉛蓄電池の正極} \\[.2zh]
\ \ \phantom{\textbf{\textcolor{blue}{\ce{Pb}の酸化物}}} \textbf{\textcolor{blue}{\ce{Pb3O4}}(\textcolor{red}{赤色})：赤色顔料} \\[1zh]
\maru9 \ $\bm{鉱物}\ \begin{cases}
\bm{\textcolor{red}{ルビー(赤色)}} & \bm{\textcolor{cyan}{アルミナ\ce{Al2O3}}}に\bm{\textcolor{magenta}{クロム\ce{Cr}}}を含有した鉱物. \\[.2zh]
\bm{\textcolor{blue}{サファイア(青色)}} & \bm{\textcolor{cyan}{アルミナ\ce{Al2O3}}}に\bm{\textcolor{magenta}{鉄\ce{Fe}とチタン\ce{Ti}}}を含有した鉱物.
\end{cases}$ \\[1.5zh]
\maru{10}\ \ \textbf{\textcolor{blue}{ミョウバン}(\textcolor{red}{\ce{AlK(SO4)2.12H2O}})}\ (硫酸アルミニウムカリウム十二水和物) \\[.2zh]
\ \ \ 2つの塩\ce{Al2(SO4)3}と\ce{K2SO4}から成る\textbf{\textcolor{red}{正八面体}結晶}(\textbf{\textcolor{red}{複塩}}). 水溶液は\textbf{\textcolor{red}{弱酸性}}を示す. \\[1zh]
酸化性・還元性}} \\[.5zh]
スズは酸化数+4が安定} \textcolor{blue}{\ce{SnCl2}(\mathRM{I\hspace{-.1em}I})}は\textcolor{red}{還元性}あり. & \text{\ce{SnCl2}\ (+2) \ce{-> SnCl4}\ (+4)}鉛は酸化数+2が安定} \textcolor{blue}{\ce{PbO2}(\scalebox{.7}[1]{\mathRM{I\hspace{-.1em}V}})}は\textcolor{red}{酸化性}あり. & \text{\ce{PbO2}\ (+4) \ce{-> Pb^2+}\ (+2)}合金}\
\textcolor{blue}{ジュラルミン} & \textcolor{red}{アルミニウム\ce{Al}と銅\ce{Cu}}の合金.\ 軽くて強い.\ \text{飛行機の機体.} \\[.2zh]
\textcolor{blue}{無鉛はんだ} & \textcolor{red}{スズ\ce{Sn}と銀\ce{Ag}と銅\ce{Cu}}の合金.\ 融点が低い.\ \text{金属の接合.}
トタン}} & \bm{\textcolor{red}{鉄板\ce{Fe}に亜鉛\ce{Zn}をめっき}}したもの.\ トタン屋根. \\[.2zh]
\bm{\textcolor{blue}{ブリキ}} & \bm{\textcolor{red}{鉄板\ce{Fe}にスズ\ce{Sn}をめっき}}したもの.\ 缶詰,\ おもちゃ.トタン(亜鉛鉄板) }} \textbf{\textcolor{blue}{ブリキ(スズメッキ鋼板Zn}が先に腐食し,\ その間\ce{Fe}を守る.} \textcolor{red}{傷がつくと,\ \ce{Fe}が先に侵されさびる
