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2節 単体・化合物・元素

B 元素

元素  

教科書では,「単体や化合物を構成する基本成分」と述べているが,厳密には「原子番号によって区別される原子種」と定義される。学習の最初の段階なので初めから厳密な定義を述べることができず曖昧な表現になっているが,同位体の学習が終わった段階で,もう一度見直して指導するのがよい。

 

単体

 純粋な物質で,ただ1種類の元素のみからなるものをいう。よって,単体以外の純物質は化合物ということになる。元素の単体は1種類だけのこともあるが,同素体のあることが多い。例えば,酸素には酸素O2とオゾンO3とがある。

 

同素体

 原子の配列や結合の仕方の相違のため,同一元素から性質の異なる2種類以上の単体ができる場合,これらを互いに同素体という。教科書に示した炭素,酸素,リン,硫黄の他,スズ,セレン,テルル,ヒ素等が知られている。

 よく知られているように,炭素の同素体にはダイヤモンドと黒鉛がある。どちらも無数の炭素原子が連なってつくられた共有結合結晶だが,近年,炭素原子60個でできた安定なC60分子が発見された。炭素の新しい同素体が見い出されたのである。

 C60分子の存在は,大沢映二博士が北海道大学時代の1970年に最初に予想した。p 電子が3次元的に移動できる分子を考察している中で予想されたものである。しかし,C601985年に英米の化学者(H.W.Krotoサセックス大学(イギリス)R.E.Smalleyライス大学(アメリカ) )の共同研究により実際に発見された。2人はクラスターについて研究し,一連の物質をフラーレンとよんだ。

クラスターとは,原子が数個〜数百個集まった集合体のことで,結晶や個々の原子・分子とは異なった性質を示す。真空中で黒鉛に強力なレーザーを照射すると炭素原子となって蒸発するが,真空中で炭素原子が集まると共有結合性の分子即ち炭素クラスターができる。Krotoたちは,炭素蒸気中に極微量のC60と共にC70を見い出し,サッカーボール・ラグビーボール型の分子を想定した。得られたクラスターは微量だったが,その大部分はC60だったという。

 KrotoたちはC60を検出したものの,これを単離することはできなかった。C60をグラム単位の量で取り出すことに成功したのは1990年で,W.Krätschmerマックスプランク核物理学研究所(ドイツ)D.R.Huffmanアリゾナ大学(アメリカ)の共同研究による。彼らは,ヘリウムガス中で黒鉛に電流を通じてススをつくり,その中のベンゼンに溶ける成分をカラムクロマト法で分離して取り出した。

 C60の正確な分子構造は,5Kに冷却した結晶の中性子回折により求められた。そして,12個の5角形と20個の6角形からなるサッカーボール型であることが確定した。C60分子の直径は0.7nmで,分子内に金属イオンや小さい分子を取り込む余地が十分ある。そのような化合物の研究が進んでいる。

 C60は空気中で安定である。真空中では600°C以上に熱しても壊れないので,昇華法で精製することができる。C60が安定で反応性に乏しいのは,芳香族分子であることの他に,分子に端がないことが挙げられる。また,分子内の炭素原子が全て等価で,p 電子密度に偏りがないことも安定性に寄与しているであろう。

1990年以降では,ATTベル研究所が発見したC60の超伝導性が目を引く。カリウムを添加したC6019.28Kに冷却すると電気抵抗が0になる。C60そのものは絶縁体だが,いろいろなアルカリ金属を添加すると,金属になったり超伝導体になったりするのである。このように,黒鉛とC60は,共に不飽和の結合をもつ同素体だが,その性質には大きな違いがある。

1996年度のノーベル化学賞は,フラーレンC60の発見に対し,サセックス大学のクロトー(イギリス),ライス大学のスモーリーとカール(アメリカ)3人に与えられた。

 

オゾン

 オゾンは乾燥酸素中の放電で得られる。また,フッ素と水との作用,リンの酸化,硫酸の電解,紫外線・X線・陰極線を空気に当てたとき等にも発生する。簡単なオゾン発生とその確認には,黄リンを用いる方法がある。オゾンは,成層圏上部において酸素分子が太陽からの波長240nm以下の紫外線を受けて酸素原子に解離し,この酸素原子が酸素分子と結合して生じる。

O 2hn 2 (O)   (O)O 2 O 3

 

一方,オゾンは主として波長320nm紫外線を吸収して分解し,酸素分子に戻る。成層圏中ではオゾンの生成と分解のバランスによってオゾン濃度が一定に保たれているオゾン層が形成され,生物にとって有害な太陽光線中の320nm以下の紫外線の地表への進入を防いでいる。

 ところが,電子部品の洗浄剤や,エアコンや冷蔵庫の冷媒,スプレーの噴射剤等に用いられてきたフロンによりオゾンの生成と分解のバランスが崩され,オゾン層が破壊されているという事実が,近年明らかになり,深刻な問題になっている。

 フロンは,炭素,塩素,フッ素からなる一群の化合物の総称である。これらが大気中に放出されると大気中では壊れにくい(大気寿命100年程度),成層圏まで拡散し,太陽からの紫外線を受けて塩素を遊離し,連鎖的にオゾンを分解する。そして,成層圏のオゾン層は所々で薄くなった部分が観測されるようになってきた。特に,南極大陸上空のオゾンホールは1980年代後半から定常的に観測されている。

 オゾン層の破壊によって地上まで到達する紫外線量は増加しており,これによって心配されるのは紫外線による皮膚癌の増加である。今日,皮膚癌の増加の原因がオゾン層の破壊による紫外線量の増加によるという正式な報告は出されていないが,この種の環境問題は地球規模であり,時間的には,100年以上の歳月をかけて進行するものである。

 このようなことから,1990年のモントリオール議定書で西暦2000年までのフロン全廃が決議されるに至った。また,フロン使用後の回収方法ならびに代替物質の開発も急ピッチで進められている。

 

参考実験 同素体をつくる ((A)オゾン,(B)リン,(C)硫黄)

【目的】供覧実験で同素体をつくり,理解と関心を高める。

【準備】

(A) オゾン  オゾン発生器,誘導コイル,蓄電池(6V),洗気瓶,ゴムふいご,濃 硫酸,ヨウ化カリウムデンプン紙,ゴム管

(B) 赤リンと黄リン  一端を封じた硬質ガラス管,スタンド,鉄板,蒸発皿,ピンセット,赤リン,黄リン(水中に保存),二硫化炭素,ろ紙

(C) 硫黄  時計皿,漏斗,試験管はさみ,ビーカー,薬さじ,ルーペ,粉末硫黄, 二硫化炭素,ろ紙

【操作】(A)オゾン

(1) 図Aのように,オゾン発生器にゴムふいごを使って乾いた空気を送る。一方,誘導コイルを作動させて高電圧をかけ,無声放電をさせる。

(2) オゾン発生器の排気口から出る気体の臭いを嗅ぐ。また,湿らせたヨウ化カリ ウムデンプン紙を排気口に近づけてみる。

(3)       電源を一度切った後,排気口にゴム管をはめ,もう一度オゾンを発生させる。

図A オゾン発生装置

B 赤リンから黄リンへの変化

C 赤リンと黄リンの発火と燃焼

(B) 赤リンと黄リン

(1) 一端を封じた硬質ガラス管に赤リンを少量入れ,スタンドにとめ,赤リンの入 っている部分を熱する。

(2) 試験管に黄リン1粒をピンセットでとり,少量の二硫化炭素を加えて振り,溶かす。蒸発皿にろ紙を入れ,黄リンの二硫化炭素溶液をふりかけ,暗くして観察する。赤リンについても,二硫化炭素に溶けるか試す。

(3) 図Cのように,スタンドの輪の鉄板上に赤リンと黄リンを少量取り,熱する。どちらが先に発火するか,また燃焼の様子を観察する。

(C) 硫黄

(1) 粉末硫黄を小さじ1杯試験管にとり,二硫化炭素2cm3を加えてよく振り,溶かす。この溶液を,ろ紙の上端を指で押さえて広がらないようにして,漏斗でろ過する。ろ液は時計皿にとり,通風のよい場所で放置して二硫化炭素を蒸発させる。析出した斜方硫黄の結晶を,ルーペで観察する。

(2) 粉末硫黄を試験管に1/4とり,弱火でゆっくり熱して融かす。全部融解して黄色液体になったとき,漏斗に水で張りつけたろ紙上に流し込む。

  冷えて表面が固まりかけたころ,ろ紙を取り出して広げる。十分に冷えたら,生じた単斜硫黄の結晶をルーペで観察する。

(3) (2)で用いた試験管に粉末硫黄を1/3とり,振りながら強く熱して融解する。融解硫黄は,加熱を続けると,さらさらした状態から流動性のない状態に変わり,更に熱すると再び流動性を示すようになり,やがて沸騰が始まる。このとき,冷水を入れたビーカーに流し込む。冷えてから生じたゴム状硫黄を取り出し,引き伸ばして観察する。

D 単斜硫黄の生成

 図E ゴム状硫黄の生成

 

【実験上の注意】

(A) T.オゾン発生器の作動中は,高電圧がかかっている。触れないよう注意する。生徒には臭いを嗅がすだけにして,近づけないよう注意する。

(B) T.黄リンは毒性が強く,触れないよう注意する。黄リンの二硫化炭素溶液に関する操作を生徒にさせてはいけない。

U.実験終了後,ガラス管中の黄リンを除くには,希硝酸を加えて放置しておけばよい。酸化してリン酸に変わるので心配ない。

V.Aは,暗い場所で観察すると,りん光を見ることができる。

(C) T.二硫化炭素は有毒かつ引火性である。火気から遠ざけて実験すること。

U.Aでは,弱火でゆっくり熱するよう注意する。高温になると粘い赤褐色の液体になるので,その手前の黄色流動性のときにろ紙に流し込む。

V.観察終了後,つくった同素体は全部回収して瓶に保存する。1年後くらいには,磨り潰して粉末硫黄として再び使用できる。

【結果】(A) (1)火花を出さずに放電する。

(2) オゾン特有の生臭い臭いがする。ヨウ化カリウムデンプン紙が青紫色に変わる。

2KIH2OO32KOHO2I2

(3) ゴム管が切れてボロボロになる。したがって,ゴム中に二重結合のあるこ   とがわかる (二重結合に対するオゾンの反応)

(B)(1)だんだん黄白色に変わる (ガラス管の口が狭いので,空気が中に入ってリンが燃 えることはない)

(2) 黄リンは二硫化炭素に溶けるが,赤リンは溶けない。ろ紙にふりかけた黄リンの 溶液から二硫化炭素が蒸発すると伴に,黄リンは室温で酸化され,暗い場所で見るとりん光が観察できる。

(3) 黄リンの方が先に発火し,遅れて赤リンも燃え始める。着火後の燃える様子は両者とも同じで,共に白煙を激しく出す。赤リンの発火点は260,黄リンは室温で自然発火する。

4P5O2P4O10

(C) 斜方硫黄,単斜硫黄はルーペで観察し,結晶形が異なることを理解する。ゴム状硫黄は無定形固体であり,弾性があって変形し易いことを確かめる。

F 斜方硫黄,単斜硫黄の結晶

 

C 成分元素の検出

 

炎色反応

 一般に,塩化物の様な揮発性化合物中の金属原子が,熱で励起されて発する輝線スペクトルのうちで,ある波長の光が特に強い為に生じる発色現象。定性分析の補助法として重要である。普通,白金線の先端に検体をつけて無色炎に入れて観察するが,検体が水溶液の場合は,ろ紙片に浸して直接無色炎に入れても観察できる。

 花火の色は,炎色反応によるものである。花火の閃光は,マグネシウムまたはアルミニウムの燃焼による。現代の花火は酸化剤として塩素酸カリウムの様な能率の良いものを用いているので,燃焼温度が高く,炎色反応も非常に鮮やかだが,江戸時代の花火は酸化剤として硝石(硝酸カリウム)を用いており,燃焼温度が低く色はあまり鮮やかではなかったと想像される。

炎色反応

元素

炎 色

青色コバルトガラスを
通して見た炎色

Li

赤 紫

 

Na

無 色

 

K

赤紫

赤 紫

 

Ca

橙赤

橙 緑

 

Sr

深赤

 

Ba

()

青 緑

 

Cu

青緑

淡 青

 

 

大理石の成分元素

【実験上の留意点】

 

1.大理石片は,ふたまた試験管の突起のある足に入れる。二酸化炭素の発生を止め たいときは塩酸を元の足へ戻せばよいが,突起があれば固体の大理石片は塩酸と容易に分離できる。(1)

2.ガスバーナーの操作を知らない生徒は多い。炎色反応を始める前に操作の練習を十分に行うのがよい。(2)

3.ふたまた試験管の一方の足に入れた大理石片へ塩酸を加えるとき,一度に大量の塩酸を加えないようにする。一度に大量に加えると,急激に二酸化炭素が発生するので,ふたまた試験管内の反応液が石灰水中に吹き出すことがある。二酸化炭素が少しずつ石灰水に吹き込まれるように,塩酸を少しずつ大理石に加える。

4.炎色反応を行うとき,白金線は予めよく焼いて別の物質が付着していないことを確かめてから行う。

【実験の結果】

操作A 石灰水が白濁する。白濁した状態の液に更に続いて二酸化炭素を吹き込むと,白濁が次第に溶け,やがて無色透明の液になる。

操作C 無色炎が橙赤色に着色する。

【考察】

1 初め白濁し,やがて溶けて透明になることから,発生した気体は二酸化炭素であることがわかる。

Ca(OH)2CO2CaCO3H2O

CaCO3H2OCO2Ca(HCO3)2

2 橙赤色を呈したことからカルシウムの存在がわかる。

3 CO2が発生したことから炭素(酸素は石灰水や塩酸中の水H2Oや空気にも含まれており,この実験では酸素はそれらからではないと否定できない),また炎色反応からカルシウムが含まれていることが考えられる。

 

 

 

 

 








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