工業化学

第 1 章物質と化学 ............................................................................................................4
1. 物質 .............................................................................................................................4
1-1 物質と物体 ...........................................................................................................4
1-2 純物質と混合物 ....................................................................................................4
1-3 混合物の分離 .......................................................................................................4
2. 元素・原子・分子・イオン .........................................................................................4
2-1 元素 ......................................................................................................................4
2-2 単体と化合物 .......................................................................................................5
2-3 物質を構成する粒子 .............................................................................................5
3. 原子の構造と電子配置 ...............................................................................................5
3-1 原子の構造 ...........................................................................................................5
3-2 原子の電子配置 ....................................................................................................6
3-3 元素の性質と周期表 .............................................................................................7
4. 物質を表す式 .............................................................................................................7
4-1 分子式・構造式・モデル .....................................................................................7
4-2 イオン式と組成式 ................................................................................................8
5. 物質と自然 .................................................................................................................8
5-1 水の循環 ..............................................................................................................8
5-2 炭素の循環 ...........................................................................................................8
5-3 資源の有効利用と地球環境 ..................................................................................8
第 2 章物質の変化と量 .....................................................................................................9
1. 物質の変化 .................................................................................................................9
1-1 状態変化 ..............................................................................................................9
1-2 物理変化と化学変化 .............................................................................................9
2. 化学反応式 .................................................................................................................9
2-1 化学反応式の書き方 .............................................................................................9
2-2 原系と生成系 .......................................................................................................9
3. 化学式と物質の量 ......................................................................................................9
3-1 原子量 ..................................................................................................................9
3-2 分子量と式量 .....................................................................................................10
3-3 アボガドロ定数 ..................................................................................................10
3-4 物質量 ................................................................................................................10
3-5 気体 1mol の体積 ...............................................................................................10
3-6 化学反応式 .........................................................................................................10
4. 化学反応式と化学工業 .............................................................................................12
4-1 いろいろな化学反応 ...........................................................................................12
4-2 化学工業のプロセス ...........................................................................................12
4-3 化学工場 ............................................................................................................12
第 3 章空気と気体の性質................................................................................................13
1. 空気 .........................................................................................................................13
1-1 空気の組成 .........................................................................................................13
1-2 酸素 ....................................................................................................................13
1-3 窒素 ....................................................................................................................13
1-4 希ガス ................................................................................................................13
2. いろいろな気体........................................................................................................13
2-1 オゾン ................................................................................................................13
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2-2 水素 ....................................................................................................................14
2-3 二酸化炭素と一酸化炭素 ...................................................................................14
2-4 アンモニア .........................................................................................................14
2-5 窒素の酸化物と硫黄の酸化物 ............................................................................14
3. 気体の性質 ...............................................................................................................15
3-1 気体の体積と圧力・温度 ...................................................................................15
3-2 気体の状態方程式 ..............................................................................................16
3-3 気体の密度と比重 ..............................................................................................17
3-4 気体の拡散 .........................................................................................................17
3-5 気体の分圧 .........................................................................................................17
3-6 理想気体と実在気体 ...........................................................................................18
3-7 気体の液化 .........................................................................................................18
4. 空気の利用 ...............................................................................................................18
4-1 窒素と化学工業 ..................................................................................................18
第 4 章水と溶液 ..............................................................................................................19
1. 水 .............................................................................................................................19
1-1 水の性質 ............................................................................................................19
1-2 氷・水・水蒸気 ..................................................................................................19
2. 溶液とその性質........................................................................................................20
2-1 水とイオン .........................................................................................................20
2-2 溶液の濃度 .........................................................................................................20
2-3 溶解度 ................................................................................................................21
2-4 沸点上昇と凝固点降下 .......................................................................................22
2-5 溶液の浸透圧 .....................................................................................................23
3. コロイド ..................................................................................................................23
3-1 コロイド ............................................................................................................23
3-2 コロイド溶液の性質 ...........................................................................................24
4. 水資源と環境 ...........................................................................................................24
4-1 水の利用 ............................................................................................................24
4-2 水と環境 ............................................................................................................25
第 5 章酸と塩基 ..............................................................................................................26
1. 酸と塩基 ..................................................................................................................26
1-1 酸 .......................................................................................................................26
1-2 塩基 ....................................................................................................................26
1-3 酸・塩基の強弱 ..................................................................................................26
2. 水素イオン濃度と pH ..............................................................................................27
2-1 水のイオン積と溶液の酸性・アルカリ性 ..........................................................27
2-2 pH ......................................................................................................................27
2-3 pH の測定法.......................................................................................................27
3. 中和と塩 ..................................................................................................................27
3-1 中和 ....................................................................................................................27
3-2 塩の種類 ............................................................................................................28
3-4 酸性酸化物と塩基性酸化物 ................................................................................28
3-5 中和滴定 ............................................................................................................29
4. 生活や工業と酸・塩基 .............................................................................................29
第 6 章食塩とアルカリ金属・ハロゲン ..........................................................................30
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1.
2.
海水と製塩 ...............................................................................................................30
アルカリ金属 ...........................................................................................................30
2-1 アルカリ金属の性質 ...........................................................................................30
2-2 ナトリウムとその化合物 ...................................................................................30
2-3 その他のアルカリ金属 .......................................................................................31
3. ハロゲン ..................................................................................................................31
3-1 塩素とその化合物 ..............................................................................................31
3-2 フッ素・臭素・ヨウ素とその化合物 ..................................................................32
3-3 ハロゲンの性質 ..................................................................................................33
4. 海水の利用 ...............................................................................................................33
4-1 海水を利用する工業 ...........................................................................................33
4-2 海水の淡水化 .....................................................................................................33
4-3 ソーダ工業 .........................................................................................................33
第 7 章元素の性質と化学結合 ........................................................................................35
1. 元素の分類と周期表 ................................................................................................35
1-1 同族元素 ............................................................................................................35
1-2 金属元素と非金属元素 .......................................................................................35
1-3 典型元素と遷移元素 ...........................................................................................35
2. 化学結合 ..................................................................................................................35
2-1 イオン結合とイオン結晶 ...................................................................................35
2-2 共有結合と共有結合結晶 ...................................................................................36
2-3 原子価と電子配置 ..............................................................................................36
2-4 分子の極性と電気陰性度 ...................................................................................36
2-5 配位結合 ............................................................................................................37
2-6 分子間に働く力 ..................................................................................................37
2-7 金属結合と金属の結晶 .......................................................................................37
2-8 結晶構造 ............................................................................................................38
3. 生活と元素 ...............................................................................................................38
3-1 地殻を構成する元素 ...........................................................................................38
3-2 鉱物資源 ............................................................................................................38
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第1章
物質と化学
1. 物質
1-1 物質と物体
・物体(object) … 形に着目して考える
・物質(substance) … 形作っている素材としての｢もの｣を考える
・化学(chemistry) … 主として物質の性質とその変化について研究する学問
1-2 純物質と混合物
・純物質(pure substance)
1 種類の物質からできているもの
融点や沸点は、圧力が決まれば常に一定
・混合物(mixture)
2 種類以上の物質が混ざり合っているもの
融点や沸点は混合物の割合によって変わる
・均一混合物
食塩水のようなどの部分も同じ性質を持つ
・不均一混合物
成分となっている物質が見分けられるもの
1-3 混合物の分離
・分離(separation)
混合物をその成分に分けること
沈降、濾過、蒸溜、蒸発など
・不純物(impurity) …
・精製(purification) …
純物質中に混ざっている少量の成分
不純物を除いて純物質を得ること
2. 元素・原子・分子・イオン
2-1 元素
①化合と分解
・化合(combination)
2 種類以上の純物質が結びついて別の純物質になること
・分解(decomposition)
1 つの純物質が 2 種類以上のより簡単な純物質に分かれること
②元素
・元素(element)
物質を構成する最も基本的な成分
現在知られている元素は 100 種類以上
それぞれに名称と元素記号(symbol of element)が定められている
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2-2 単体と化合物
純物質は単体と化合物に分けられる
・単体(simple substance)
1 種類の元素のみから構成されている
・同素体(allotrope)
同じ元素だけでできた単体が 2 種類以上あるとき
例) 黒鉛とダイヤモンド
・化合物(compound)
2 種類以上の元素からできている純物質
2-3 物質を構成する粒子
・原子(atom)
すべての元素にあるそれぞれ固有の粒子
直径約 10-10m、質量約 10-27〜10-25kg
すべての物質を構成する最も基本的な粒子
・分子(molecule)
いくつかの原子が結合した粒子
・イオン(ion)
電荷を持った原子や原子団
・陽イオン(cation)
正の電荷を持つイオン
・陰イオン(anion)
負の電荷を持つイオン
※ドルトンの原子説
1803 年、すでに確立していた質量保存の法則(ラボアジエ)と定比例の法則(プルースト)を矛盾無く説明する
ために、物質を構成する最小の単位粒子が存在すると考え、その粒子を原子と呼んだ。また、倍数比例の法
則を予測した。
※気体反応に関する法則
・気体反応の法則
2 種類以上の気体が関係する一つの化学反応においては、同じ温度、同じ圧力のもとで量られた各気体の体
積の間に、簡単な整数比が成り立つ。
・アボガドロの法則
物質によっては原子がいくつか集まって分子という粒子をつくっており、そのような物質では、分子が物質
を構成する単位粒子になっている(アボガドロの分子説)。
同じ温度、同じ圧力のもとにあるすべての気体は、同じ体積中に同じ数の分子が存在する。
3. 原子の構造と電子配置
3-1 原子の構造
①原子の構造
・原子核(atomic nucleus) … 中心にあり正の電荷を持つ
・陽子(proton) … 最小単位量の正電荷を持つ
・中性子(neutron) … 電荷を持たない粒子
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・電子(electron) … 原子核の周りをまわっている負の電荷を持つ粒子
陽子と中性子の質量はほぼ等しく、どちらも電子の質量の約 1840 倍
→ 原子の質量＝原子核の質量
原子核は陽子の数の分だけ正電荷を持つ。
電子と陽子の最小単位量の電荷(絶対値)は等しい。
原子核中の陽子の数 = 電子の数
→ 原子全体としては電気的中性
②原子番号と質量数
・原子番号(atomic number)
原子核の中の陽子の数
原子核中の陽子の数は元素の種類によってすべて異なるため、原子番号はそれぞ
れの元素に固有のものとなる。
・質量数(mass number)
原子核中の陽子と中性子の数の和
・書き方
質量数 …元素記号の左上
原子番号…元素記号の左下
例) 126 C
③同位体
・同位体(isotope)

原子核中の陽子の数は同じだが、中性子数が異なるもの(=質量数が異なるもの)
例) 水素 11 H
2
1 H … 重水素(D)
3
1 H … 三重水素(T)→放射性同位体
化学的性質は同じ


3-2 原子の電子配置

①電子殻
・電子殻(electron shell)
原子核の周りをまわっている電子の軌道
原子核に近いものから K 殻、L 殻、M 殻、N 殻…と呼ばれる
一般に、内側から n 番目の殻には 2n2 個までの電子が収容できる
・最外殻 … 電子が配置された最も外側の殻
・最外殻電子 … 最外殻にある電子
・荷電子(valance electron)
最外殻電子が 7 個以下の時の最外殻電子
イオンになったり原子が結合するのに働く
②安定な電子配置
最大数の電子が満たされた電子殻は電子配置が安定 → 希ガス
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③イオンの生成
イオンの電子配置は安定な電子配置をもつ希ガスと同じになることが多い
・陽イオン … 価電子数が少なく、価電子を放出
・陰イオン … 価電子数が多く、電子を受け入れる
・イオン化(ionization(電離))
狭義：原子や分子が電子を放出して陽イオンになること
広義：陰イオンになることも含む
・イオンの価数
原子がイオンになるときに増減した電子の数
・イオン化エネルギー(ionization energy)
原子から電子 1 個を放出させて 1 価の陽イオンとするのに必要な最小エネルギー
イオン化エネルギーが小さいほど陽イオンになりやすい
3-3 元素の性質と周期表
①元素の周期表
・周期律(periodic law)
元素に見られる周期性
・周期表(periodic table)
・周期(period) … 横の行
・族(group) … 縦の列
②周期と族
周期表には、7 つの周期と 18 の族がある
各周期の元素は、最外殻の電子殻が同じ
・同族元素
同じ縦の列に並んだ元素の集まり
・アルカリ金属：H を除く 1 属元素
・ハロゲン
：17 族元素
・希ガス
：18 族元素
4. 物質を表す式
4-1 分子式・構造式・モデル
・分子式(molecular formula)
多くの物質には、その物質の最小単位粒子である分子が存在し、分子式を用いて
表す
・構造式(structural formula)
例) H2 ：H-H
H2O ：H-O-H
・モデル(model)
例) H2O ：
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・原子価(valance)
ある原子 1 個が水素原子何個と結合できるかを示す数
1 つの原子が 2 種類以上の原子価を持つこともある
4-2 イオン式と組成式
・イオン式(ionic formula)
イオンを表す式
イオンの電荷は、正電荷を＋、負電荷を−で示し、その価数(1 は省略)を前に付け
て、元素記号の右上に表す
・組成式(compositional formula)
分子式ではなく、物質を構成している成分元素の種類と割合(組成)を表す式
・化学式(chemical formula)
分子式，構造式，イオン式，組成式などの総称
5. 物質と自然
5-1
水の循環
5-2 炭素の循環
自然の循環に加えて、石油や石炭のような化石燃料(fossil fuel)の燃焼などの人間の活動に
よっても循環する。
5-3 資源の有効利用と地球環境
生活環境を健全に保つためには、地球資源を有効に利用しながらも、環境と調和のとれた
利用の仕方を地球規模で考え、実行する必要がある。
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第2章
物質の変化と量
1. 物質の変化
1-1 状態変化
・状態変化(change of state(三態変化))
水が水蒸気や氷に変わるのは、単に気体(gas)、液体(liquid)、固体(solid)という状
態(state)が変化するだけのことである
1-2 物理変化と化学変化
・物理変化(physical change)
単に状態や形が変化するだけの変化
・化学変化(chemical change)，化学反応(chemical reaction)
元の物質が別の物質に変わってしまう変化
2. 化学反応式
2-1 化学反応式の書き方
・反応物(reactant) … 反応する物質
・生成物(product) … 生成する物質
・係数
反応の前後で原子の種類と数が変わらないので、両辺の原子数が等しくなるよう
に係数をつける。
最も簡単な整数になるようにし、1 は省略する。
2-2 原系と生成系
・化学系(chemical system), 系(system)
化学反応に関係のある物質の集まり
・原系
反応する前の系
・生成系
反応が終わった後の系
3. 化学式と物質の量
3-1 原子量
原子 1 個の質量は 10−26kg。
・原子量(atomic weight)
特定の原子の質量を基準にして各原子の相対的な質量(質量比)を表した数値
今日では 126 C の質量=12 が基準
・国際原子量(international atomic weight)
国際会議で承認された原子量＝原子量

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・原子質量単位(atomic mass unit)
12
6 C の原子の質量の 12 分の 1
単位：u
1u = 1.66053886×10-27kg

3-2 分子量と式量
・分子量(molecular weight)
分子の質量を原子量と同じ基準で表したもの
単位はない
・式量(formula weight)
物質がイオン式や組成式で表される場合その式の中に含まれる原子の原子量の和
金属の場合、原子量=式量
単位はない
3-3 アボガドロ定数
・アボガドロ定数(Avogadro constant)
ある原子をその原子量に g(グラム)単位を付けたもた質量だけ集めると、その中に
は
6.02×1023 個
の原子が存在する。(正確には 6.0221415×1023 個)
3-4 物質量
・モル(mol)
原子・分子・イオンなどの粒子がアボガドロ定数の個数だけ集まったもの
1mol = 6.02×1023 個の粒子
・物質 1mol あたりの質量
原子量・分子量・式量に単位 g をつけると 1mol の質量となる
・物質量(amount of substance)
mol は物質量の単位
3-5 気体 1mol の体積
アボガドロの法則によると、気体 1mol の占める体積は、同温・同圧のｍのとでは、気体
の種類に関係なく同じ。どの気体も 0℃、101.3kPa(1atm)のもとでは、
1mol = 22.4l (22.4×10-3m3)
3-6 化学反応式
・化学反応式と気体の体積の関係
各物質が気体の場合の反応では、核物質の係数の比は、同温・同圧での体積の比
に等しい
【例題】
プロパン C3H8 1.00l を完全燃焼させるのに必要な同温・同圧の酸素及び空気の体積を求め
よ。ただし、空気中の酸素の割合は 20.9%である。
【解答】
C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O
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の化学反応式から、必要な酸素の体積はプロパンの 5 倍、つまり 5.00l。また、必要な空気
の体積は、
5.00×0.209 = 23.9[l]
・質量保存の法則
化学反応の原系の全質量＝生成系の全質量
【例題】
炭素 5.00g を完全燃焼させるのに必要な酸素と、生成する二酸化炭素の質量を求めよ。
【解答】
5.00
炭素 5.00g は、 12.00
=0.417[mol]
C + O2 → CO2
炭素 1mol あたり、酸素 1mol(32g)必要だから、
 32×0.417 = 13.3[g]
また、生じる二酸化炭素も 0.417mol だから、
44×0.417 = 18.3[g]
【例題】
炭酸カルシウム CaCO3 を強熱すると、分解して酸化カルシウム CaO と二酸化炭素になる。
CaCO3 → CaO + CO2
炭酸カルシウム 500g から、酸化カルシウムと二酸化炭素はそれぞれ何 g 得られるか。
【解答】
CaCO3 500g = 500[g]÷100.1[g/mol] = 5.00[mol]
∴CaO = 5.00[mol]×56.1[g/mol] = 280.5[g]
CO2 = 5.00[mol]×44.0[g/mol] = 220.0[g]
【例題】
プロパン C3H8 15.0g を完全燃焼させるのに必要な酸素の質量と、生成する二酸化炭素と水
の質量を求めよ。
【解答】
C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O
C3H8 15.0g = 15.0[g]÷44.0[g/mol] = 0.34[mol]
∴O2 = 5×0.34[mol]×32[g/mol] = 55.5[g]
CO2 = 3×0.34[mol]×44[g/mol] = 44.9[g]
H2O = 4×0.34[mol]×18[g/mol] = 24.5[g]
・化学反応式と質量及び気体の体積との関係
気体 1mol の体積は、0℃，101.3kPa で 22.4l である
【例題】
炭素 5.00g を完全燃焼させるのに必要な酸素の体積(0℃, 101.3kPa)[l]を求めよ。また空気
(酸素 20.9%)を用いるとどれほどの体積が必要か。
【解答】
C + O2 → CO2
炭素 5.00g = 5.00[g]÷12[g/mol] = 0.417[mol]
∴酸素：1×22.4×0.417 = 9.34[l]
空気：9.34÷0.209 = 44.7[l]
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4. 化学反応式と化学工業
4-1 いろいろな化学反応
・発熱反応，吸熱反応
・光が出る反応
・気体が生じる反応
・音が出る反応
・固体が生じる反応
・においのする反応
4-2 化学工業のプロセス
・プロセス(process)
原料から化学工業製品が出来るまでには、物理変化だけの操作(単位操作)と、化
学反応を利用した操作(反応操作)が多数行われる。
このような操作の手順(工程)のこと。
4-3 化学工場
・プラント(plant)
化学工場の多くは、単位操作や反応操作を行う装置を組み合わせたプラントから
構成されている。
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第3章
空気と気体の性質
1. 空気
1-1 空気の組成
・空気(air) … 地表に近い大気(atomsphere)のこと
窒素 N2
78.1%
酸素 O2
20.9%
その他
1.0%
体積百分率(vol%)で表すのが普通
微量の場合は百万分率(ppm:perts per million)で表す。
1-2 酸素
・酸素(oxygen)
元素を表す場合と、O2 という単体を表す場合がある
他の元素との結合性が高い
近くの約 47%が酸素。また、水 H2O の成分として多量に存在
実験室での製法：過酸化水素の分解
1-3 窒素
・窒素(nitrogen)
化学反応を起こしにくい不活性な気体
窒素を工業的に得るには、窒素を液化して分留する
アンモニアの原料などとして重要
1-4 希ガス
・希ガス
Ar, Ne, He, Kr, Xe は他のどの物質ともほとんど反応しない
・アルゴン Ar
空気中に比較的多量に存在
・ネオン Ne
放電の光が赤色
・ヘリウム He
水素に次いで軽い。沸点が特に低い
・クリプトン Kr
放電の光が緑〜淡紫色
・キセノン Xe
放電の光が白色
2. いろいろな気体
2-1 オゾン
・オゾン O3 (ozone)
空気または酸素中で放電が起こったり、紫外線が当たると酸素の一部がオゾンに
3O2 → 2O3
酸素とオゾンは、互いに同素体
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特異臭があり、酸化力が強い
自然分解して O2 に変わりやすい
工業的には酸化剤として、漂白，殺菌，有害物の処理などに利用
※オゾン層
オゾンは地表付近の大気中には非常に少ないが、地上 15〜30km 付近の成層圏で層となっ
ている。太陽から生物にとって有害な紫外線を吸収している。
2-2 水素
・水素(hydrogen)H2
空気中には微量しか存在しない
実験室で水素を得るには水を電気分解するか亜鉛に希硫酸を加える
Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2
アンモニアの製造や石油の精製などに必要な多量の水素は、石油と蒸気との反応
などによって製造される
2-3 二酸化炭素と一酸化炭素
・二酸化炭素 CO2 (carbon dioxide)
石灰石(炭酸カルシウム)に希塩酸を加える
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + O2
無色無臭の気体で、水に少し解けて弱い酸性を示す
固体は、1atm のもとで、-78.5℃で昇華する
・一酸化炭素 CO (carbon monoxide)
炭素又は炭素を含む化合物の不完全燃焼によって生じる
2C + O2 → 2CO2
ギ酸に濃硫酸を加えて加熱する
HCOOH → H2O + CO
水に溶けにくく無色無臭の有毒な気体
2-4 アンモニア
・アンモニア NH3 (ammoania)
塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱する
2NH4Cl + Ca(OH)2 → 2NH3 + CaCl2 + 2H2O
特異臭のある無色の気体で、空気より軽く、水によく溶ける
化学肥料や硝酸 HNO3 の原料として、工業的に多量に製造されている
2-5 窒素の酸化物と硫黄の酸化物
・一酸化窒素 NO (nitrogen monoxide)
銅を希硝酸に溶かす
3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
自動車エンジンや焼却炉などで、窒素が高温で酸素と反応すると生じる
N2 + O2 → 2NO
・二酸化窒素 NO2 (nitrogen dioxide)
一酸化窒素は空気中の酸素で容易に酸化される
2NO + O2 → 2NO2
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窒素酸化物のうち、NO と NO2 をまとめて NOx(ノックス)と呼ぶことがある
・二酸化硫黄 SO2 (sulfur dioxide)
硫黄が空気中で燃焼すると生じる
S + O2 → SO2
・三酸化硫黄 SO3 (sulfur trioxide)
二酸化硫黄と酸素との混合物を高温で触媒に触れさせると生じる
2SO2 + O2 → 2SO3
SO2 と SO3 をまとめて SOx (ソックス)と呼ぶことがある
NOx や SOx は、石油などの燃焼に伴って生じることがあり、人体や動植物・建造物など
に悪影響を与える。
3. 気体の性質
3-1 気体の体積と圧力・温度
①気体の圧力
・圧力(pressure)
1atm = 1.013×105Pa = 101.3kPa = 760mmHg
②ボイルの法則
・ボイルの法則(Boyle’s law)
温度が一定ならば、一定量の気体の体積は圧力に反比例する
pV = k (一定)
温度が一定ならば、圧力が p1 から p2 に、体積が V1 から V2 に変わっても k の値は
変化しないので、
p1V1 = p2V2
【例題】
圧力 100kPa の空気 0.5m3 を一定の温度で 0.2m3 に圧縮すると、圧力は何 kPa になるか。
またそれは何 atm か。
【解答】
p1V1 = p2V2 より
100×0.5 = p2×0.2
∴p2 = 250kPa
250[kPa]÷101.3[kPa/atm] = 2.47[atm]
【例題】
圧力 110kPa の空気 1.25m3 を一定の温度で 250l まで圧縮すると、圧力は何 kPa になるか。
【解答】
V2 = 250l = 250/1000m3 だから
110×1.25 = p2×(250/1000)
∴p2 = 550kPa
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※体積の単位
1m3 = 1000l
1dm3 = 1l = 1000ml
1cm3 = 1ml
③シャルルの法則
1
圧力が一定ならば、一定量の体積は、温度が 1℃上がるごとに 0℃の時の体積の 273
倍ずつ増加する。
温度 t[℃]の時の体積を V、0℃のときの体積を V0 で表すと、圧力が一定ならば
V
273  t

V  V0  0 t  V0 
273
273


※絶対零度
-273℃のこと。0℃ = 273K
絶対温度 T (absolute temperature)
T = 273 + t
単位は K(ケルビン)
一定圧力のもとで温度を T1 から T2 に変えたとき、体積が V1 から V2 に変わったと
すれば、
V1 V2

T1 T2
圧力が一定ならば、一定量の気体の体積は、絶対温度に比例する。
【例題】
20℃で 0.1m3 の気体を、圧力を変えないで 100℃まで温めると体積は何 m3 になるか。
【解答】
V1 V2
0.1 V2
∴V2 = 0.127m3
 より

T
T
293
373

2
 1

④ボイル・シャルルの法則
一定量の気体の体積は、圧力に反比例し、絶対温度に比例する。

ボイルの法則とシャルルの法則を一つにまとめると、一定量の気体について
pV
pV
pV
 1 1 2 2
 k (一定)
T2
 T
 T1
【例題】
24℃、99.7kPa
で 0.359m3 を占める窒素は、0℃、101.3kPa では何 m3 となるか。


【解答】
99.7  0.359 101.3 V2
p1V1 p2V2


より
∴V2 = 0.325m3
297
273
T
T

1
2


3-2 気体の状態方程式
・気体定数
 R (gas constant)
ボイル・シャルルの法則によれば、一定量の気体について pV/T は一定
pV 101325[Pa]  22.413996 10 3 [m 3 /mol]

 8.3144....
T
273.15[K]
3
R  8.31[Pa  m /(mol  K)]

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・気体の状態方程式
従って、n[mol]の気体については、
pV
 nR
T
pV  nRT
【例題】
一酸化炭素 1.33mol が 27℃、100kPa で占める体積はいくらか。

【解答】
pV = nRT より、
100×1000×V = 1.33×8.31×300
∴V = 0.0332[m3] = 33.2[l]
※単位は、Pa, m3, mol, K に統一する必要がある。
3-3 気体の密度と比重
①気体の密度 (density of gass)
単位は g/l, kg/m3 (数値は同じ)
気体の密度は温度と圧力によって変化する
分子量 M の気体 1mol の質量は M[g]で、その体積は 0℃, 101.3kPa で 22.4l だか
ら、0℃, 101.3kPa における密度ρ0[g/l]は
M
0 
22.4

【例題】
0℃, 101.3kPa
の空気の密度は 1.293[g/l]である。空気の分子量を求めよ。

【解答】
M
M
0 
より 1.293 
∴M=29.0
22.4
22.4


※M=29.0 は、空気の平均分子量(mean molecular wright)と呼ばれる。

②気体の比重 (specific gravity of gas)

ある気体の 0℃, 101.3kPa における密度をρ0[g/l]とすれば、比重 d0 は、

M
d0  0 
1.293 29.0

3-4 気体の拡散
・拡散 (diffusion)

2 種類以上の気体の混合物の中で、場所によって成分の濃度が異なると、自然に
混ざり合って、次第に一様な濃度になる。
3-5 気体の分圧
・ドルトンの分圧の法則
混合気体の圧力は、同じ温度において、各成分気体が単独で同じ体積を占めると
き示す圧力(分圧(partial pressure))の和である。
・全圧(total pressure)
分圧の和
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【例題】
101.3kPa の空気中の酸素(20.9%)の分圧[kPa]を求めよ。
【解答】
酸素の分圧 = 101.3×0.209 = 21.2[kPa]
3-6 理想気体と実在気体
①状態方程式と実在気体
実際の気体は状態方程式に完全には従わない
②理想気体と実在気体
・理想気体(ideal gas)
状態方程式に完全に従うような仮想の気体
・実在気体(real gas)
実際の気体
実在気体には、分子間に働く力がある
実在気体のぶんしには、大きさ(体積)がある
しかし、圧力があまり高くなく、温度が特に低くなければ、多くの気体はほぼ状
態方程式に従うので、理想気体と見なすことが出来る。
3-7 気体の液化
①臨界温度と臨界圧
・臨界温度(critical temperature)
気体を液化させることが出来る限界の温度
・臨界圧(critical pressure)
臨界温度で液化させるのに必要な圧力
気体の温度が臨界温度より低ければ液化に要する圧力は臨界圧より小さくて済む。臨界温
度より高ければ、圧力をいくら大きくしても液化しない。
②超臨界状態とその利用
・超臨界状態
気体の温度が臨界温度を超え、圧力も臨界圧を超えた状態
・超臨界液体(super critical fluid)
超臨界状態の物質で、気体と液体の中間の性質を持つ
4. 空気の利用
4-1 窒素と化学工業
ドイツのハーバーは、窒素と水素を 1mol:3mol の割合で混合し、500℃〜600℃、30MPa
で、鉄を主成分とする触媒を詰めた反応器に通して、アンモニアの合成に成功した。
↓
それ以降の化学工業に大きな影響
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第4章
水と溶液
1. 水
1-1 水の性質
①水の化学的性質
他の物質といろいろな反応を起こす
炭素の赤熱状態で反応する
C + H2O → CO + H2
生じた混合気体…水性ガス(water gas)
金属の酸化物と反応して水酸化物を生じる
非金属の酸化物と反応して酸を生じる
②水の物理的性質
水を他の物質と比べると
1.固体の密度が液体の密度より小さい
2.酸素以外の元素の水素化合物より融点・沸点が高く、溶解熱・蒸発熱も大きい
3.他の液体に比べて、ものを溶かす性質が大きい
1-2 氷・水・水蒸気
①水の分子
水素原子と酸素原子が持っている電子は、全体としてやや酸素原子の方に引き寄
せられた状態になっている
→ 極性(polarity)
②氷と水
・水素結合(hydrogen bond)
水分子に極性があるため、液体または固体では分子間に弱い結合ができる
水が液体から気体になるためには、水素結合を切り離さないといけないため、極性のない
物質に比べ、はるかに大きいエネルギーが必要
→ 沸点が高く、蒸発熱が大きい
③水の蒸気圧
・蒸気圧(vapor pressure(飽和蒸気圧))
密閉した容器に水を入れておくと、し
ばらくすると見かけ上蒸発が止まった
ように見える。このとき水蒸気が示す
圧力。
・蒸気圧曲線
蒸気圧と温度の関係を示す曲線
・沸騰(boiling)
大気圧のもとで水を加熱すると、温度
が高くなるにつれて蒸気圧が大きくな
り、蒸気圧と等しくなったとき、水の
内部からも気化が起こる。
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2. 溶液とその性質
2-1 水とイオン
①溶液と溶質・溶媒
・溶媒(solvent)
物質を溶かす役目をする液体
・溶質(solute)
溶媒に溶ける物質
・溶液(solution)
溶媒に溶質が溶けたもの
溶媒が水ならば水溶液(aqueous solution)
②水への溶解
水分子が極性を持っているため、多くの物質を溶かす
・水和(hydration)
イオンが水の分子と結びつくこと
・電解質(electrolyte)
水溶液中でイオンに分かれて、その溶液が電気を通す物質
・非電解質(nonelectrolyte)
水溶液中でイオンに分かれず、その溶液が電気を通さない物質
③結晶水
・結晶水(water of crystallization：水和水)
結晶の成分となっている水
水和の結合が強い場合、イオンが水和したままで結晶化する
2-2 溶液の濃度
①質量パーセント濃度(質量百分率濃度)
単位：%
溶質の質量
溶質の質量
質量％濃度
100 
100
溶媒の質量 溶質の質量
溶液の質量
【例題】
水 500g にショ糖 75g を溶かした。濃度[%]を求めよ。
【解答】
75
ショ糖の濃度 
1 0 0 1 3[%]
5 0 0 7 5
②水 100g あたりの溶質の質量
単位：g/100g 水
水 100g あたり溶質何 g が溶けているかを示す
【例題】
25.0%のショ糖水溶液を g/100g 水で表せ。
【解答】
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この溶液 100g には 25.0g のショ糖が溶けている。
求める濃度を x [g/100g 水]とすると、
ショ糖の質量 25.0
x


水の質量 100 25.0 100
∴x = 33.3 [g/100g 水]
③モル濃度
・モル濃度(molar concentration, molarity)
単位：mol/l
溶液 1l 中に溶けている溶質の物質量で表す
通常はメスフラスコを用いて溶液を作る
【例題】
NaOH 100g を水煮とかして 1l にした。モル濃度を求めよ。
【解答】
100
1.71[mol]
NaOH の式量は 58.5 であるから、
58.5
これが 1l 中に含まれているので、
1.71 [mol/l]

【例題】
硫酸 H2SO4 の 15.0%水溶液がある。この水溶液の密度は 25℃で 1.10g/ml である。硫酸の
モル濃度を求めよ。
【解答】
この希硫酸 1l (1000ml)中の質量は
1.10×1000 = 1100[g]
その中に含まれる H2SO4 は、
1100×0.15 = 165[g]
165[g]
 1.68[mol]
H2SO4 = 98.1[g/mol]だから、
98.1[g / mol]
∴1.68 [mol/l]
2-3 溶解度

・飽和溶液(saturated solution)
一定温度で一定量の溶媒に、限界の量まで溶質が溶けている溶液
・溶解度(solubility)
飽和溶液中の溶質の濃度
①固体の溶解度
単位：g/100g 水，%
【例題】
20℃における塩化ナトリウムの飽和水溶液の濃度は 26.4%である。20℃における塩化ナト
リウムの溶解度を[g/100g 水]で示せ。
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【解答】
この飽和世水溶液 100g 中には塩化ナトリウム 26.4g を含む。求める溶解度を x [g/100g 水]
とすると、
飽和溶液の NaCl の質量
26 .4
x


飽和溶液の水の質量
100  26 .4 100
∴x = 35.9 [g/100g 水]
・溶解度曲線(solubility curve)
水に対する固体の溶解度を温度に対して示したもの
・析出(deposition)
液体中で固体が発生すること
析出量は溶解度曲線を利用して求めることができる
・再結晶(recrystallization)
不純物を含む結晶を溶媒に溶かして再び結晶させれば、前より不純物の少ない結
晶を取り出すことができる。
再結晶を繰り返せば、純度を高めることができる。
②液体を他の液体に溶かす場合の溶解度
単位：%，mol%
液体の組み合わせにより限度の有無がある
③気体を水に溶かす場合の溶解度
単位：g/100g 水
温度が高くなるにつれて小さくなる
・ヘンリーの法則(Henry’s law)
一定の温度において一定量の液体に溶解する気体の質量は、その気体の圧力に比
例する。(圧力や溶解度が比較的低い範囲内で成り立つ)
→ HCl や NH3 など水に溶けやすい気体では成り立たない
2-4 沸点上昇と凝固点降下
・沸点上昇(elevation of boiling point)
不揮発性の物質が溶けている溶液の沸点は、純粋な溶媒の沸点よりも高くなる
・沸点上昇度
溶液の沸点と純溶媒の沸点との差
・蒸気圧降下
溶媒に不揮発性物質が溶けると、溶質粒子が溶媒の蒸発を妨げ、溶液の蒸気圧が
溶媒の蒸気圧より下がる。
・凝固点降下(depression of freezing point)
溶液の凝固点から純溶媒の凝固点より低くなる現象
・凝固点降下度
純溶媒の凝固点と溶液の凝固点との差
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沸点上昇度や凝固点降下度は、希薄溶液では、溶媒が決まれば溶質の種類に関係なく、溶
媒 1kg あたりに含まれる溶質の物質量、すなわち質量モル濃度(mol/kg)に比例する。
沸点上昇度や凝固点降下度Δt [K もしくは℃]は質量モル濃度 m[mol/kg]に比例するので、
Δt = K･m
定数 K は溶媒の種類によって決まる。
Kb … モル沸点上昇
Kf … モル凝固点降下
単位：K･kg/mol
2-5 溶液の浸透圧
・半透膜(semipermeable membrane)
溶媒の分子は通すが、溶液中の大きな溶質分子を通さない性質を持つ膜
・浸透(osmosis)
溶媒が半透膜を通って移動する現象
・浸透圧(osmotic pressure)
水の浸透を止めて、両液面の高さを保つために溶液側に加える圧力
3. コロイド
3-1 コロイド
・コロイド溶液(colloidal solution)
沈殿を生じない程度の大きさの微粒子が液体中に分散した状態
・分散媒 … 液体
・分散質 … 粒子を形づくっている物質
・コロイド粒子(colloidal particle)
直径 1〜100nm
1 つの粒子は約 103〜109 個の原子から成り立っている
・分子コロイド
デンプンやタンパク質のように分子 1 個でコロイド粒子となっているもの
・ミセルコロイド
石けんのように分子が溶液中で集まってミセル(micelle)とよばれる特別な集合体
のコロイド粒子をつくるもの
・ゲル(gel)
寒天やゼラチンのように、コロイド溶液を冷やすと流動性を失い、半透明で弾力
性のある固体になる。このような性質の固体のこと。
・ゾル(sol)
ゲルの液体状態のコロイド溶液
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3-2 コロイド溶液の性質
①疎水コロイドと凝析
・凝析(coagulation)
少量の電解質を加えることによってコロイド粒子が集まって沈殿を生じる現象
・疎水コロイド(hydrophobic collide)
凝析しやすいコロイド
②親水コロイドと塩析
・親水コロイド(hydrophilic collide)
少量の電解質の添加では凝析しないコロイド
・塩析(salting out)
親水コロイドでも、多量の電解質を加えると粒子から水分子が離れ、沈殿を生じ
る現象
・保護コロイド(protective collide)
疎水コロイドに親水コロイドを加えると電解質を加えても凝析しにくくなる。こ
のような働きをする親水コロイドのこと。
③透析
・透析(dialysis)
半透膜の性質を利用して、コロイド溶液に含まれるコロイド粒子と、それ以外の
分子やイオンとを分離する方法。
④チンダル現象
・チンダル現象(Tyndall phenomenon)
コロイド溶液に細い光を当てると、光がコロイド粒子に当たって散乱し、光の通
路が見える現象
⑤ブラウン運動
・ブラウン運動(Brownian motion)
限外顕微鏡でコロイド粒子を見ると、粒子が絶えず不規則な運動をしている。
溶媒の分子がコロイド粒子に衝突することによって起こる。
⑥電気泳動
・電気泳動(electrophoresis)
コロイド溶液中に電極を入れて電圧を加えると、コロイド粒子はその電荷と反対
の電荷の極へ移動する。
4. 水資源と環境
4-1 水の利用
・純水(pure water)
生成された水
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・超純水(ultrapure water)
可能な限度まで不純物を取り除いた水
4-2 水と環境
・水質汚濁(water pollution)
河川水などの水質が悪化すること
・排水処理
汚濁物質を含む排水は、汚濁物質を取り除くか、または法律で定められた濃度以
下になるような処理をしてから、河川や海に排出しなければならない。
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第5章
酸と塩基
1. 酸と塩基
1-1 酸
・酸(acid)
酸性を示す物質
水溶液中でオキソニウムイオン(oxonium ion) H3O+を生じる
→ H+と書いて水素イオン(hydrogen ion)と呼ぶことが多い
・酸性
酸味を持ち、青色リトマス紙を赤く変える
金属を溶かして水素を発生する
・酸の価数
酸の一分子中にある水素原子のうち、電離して水素イオンになることができる水
素原子の数
2 価以上の酸は段階的に電離する
1-2 塩基
・塩基(base)
アルカリ性を示す物質
水酸化物イオン(hydroxide ion) OH-を生じる
・アルカリ性
赤色リトマス紙を青く変える
酸の水溶液と反応して酸の性質を打ち消す
・塩基の価数
塩基の一分子中に含まれる水酸基(-OH)の数
アンモニアのように、水と反応して OH-を生じる物質も塩基と呼ばれる。
NH3 + H2O → NH4+ + OH1-3 酸・塩基の強弱
・強酸(strong acid)
ほとんどの分子が電離している酸
例) H2SO4, HCl, HNO3
・弱酸(weak acid)
分子のごく一部しか電離しない酸
例) CH3COOH, H2CO3
・強塩基(strong base)
ほとんどの分子が電離している塩基
例) KOH, NaOH, Ba(OH)2, Ca(OH)2
・弱塩基(weak base)
分子のごく一部しか電離しない塩基
例) NH3, Al(OH)3, Fe(OH)3
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・電離度(degree of electrolytic dissociation)
水に溶けている溶質のうち電離している溶質の割合
電離している溶質の物質量
電離度 
溶けている溶質の物質量
強酸・強塩基 → ほぼ 1
弱酸・弱塩基 → 小さい
濃度や温度により異なってくる
【例題】
酢酸 0.2mol/l 溶液の電離度は 25℃で 0.0093 である。この溶液中の水素イオンの濃度は何
mol か。
【解答】
0.2×0.0093≒0.0019 [mol]
2. 水素イオン濃度と pH
2-1 水のイオン積と溶液の酸性・アルカリ性
水は、ごくわずかに電離している。
H2O → H+ + OH25℃においては
[H+] = [OH-] = 1.0×107 (mol/l)
∴[H+]×[OH-] = 1.0×1014 (mol/l)
→水のイオン積(ionic product)
酸性溶液 [H+] > 1.0×107 (mol/l) > [OH-]
中性溶液 [H+] = 1.0×107 (mol/l) = [OH-]
塩基性溶液 [H+] < 1.0×107 (mol/l) < [OH-]
2-2 pH
・pH(水素イオン指数)
[H+]=10-n(mol/l)ならば、pH=n
2-3 pH の測定法
・電気的方法
pH 計(pH meter)による方法で、簡便で精度が高い
・pH 指示薬による方法
pH 指示薬(pH indicator)は、pH の違いによりある種の色素の色が変わる現象を
利用したもの
3. 中和と塩
3-1 中和
・中和(neutralization)
酸と塩基の水溶液が混合し、水素イオンと水酸化物イオンが反応して水を生じる
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現象
・塩(salt)
中和の際に同時に生じる物質
3-2 塩の種類
・酸性塩(acid salt)
酸としての働きを持つ水素原子が残っている塩
例) NaHSO4, NaHCO3
・塩基性塩(basic salt)
2 価や 3 価の塩基から塩が作られる場合に、水酸基の一部が残った塩が生じるこ
とがある
例) MgCl(OH)
・正塩(normal salt)
酸の働きを持つ水素原子も塩基の働きを持つ水酸基も残っていない塩
例) NaOH, Na2SO4
3-3 塩の加水分解
・塩の加水分解(hydrolysis of salt)
塩が水と反応することによって水酸化物イオンや水素イオンの濃度が変化する現
象
弱酸と強塩基の中和で得られた塩の水溶液はアルカリ性を示す
例) CH3COONa + H2O → CH3COOH + Na+ + OH強酸と弱塩基の中和で得られた塩の水溶液は酸性を示す
例) NH4Cl + H2O → NH3 + H2O + Cl- + H+
3-4 酸性酸化物と塩基性酸化物
・酸化物(oxide)
酸素と他の元素との化合物
・酸性酸化物
塩基と反応して塩をつくる酸化物
例) CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O
・塩基性酸化物
酸と反応して塩をつくる酸化物
例) MgO + H2SO4 → MgSO4 + H2O
・両性酸化物
酸に対しては塩基性酸化物として反応し、塩基に対しては酸性酸化物として反応
する酸化物
例) Al2O3 + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2O
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]
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3-5 中和滴定
・中和滴定(neutralization titration)
水溶液中における中和反応を利用して、酸または塩基の濃度を測定する方法
①中和反応における酸・塩基の量的な関係
H++OH-→H2O の化学反応式からわかるように、酸から生じる H+の物質量と、塩
基から生じる OH-の物質量とが等しければ、互いに過不足なく反応する。
②中和滴定
濃度 c[mol/l]の n 価の酸 V[ml]と、濃度 c’[mol/l]の n’価の塩基 V’[ml]がちょうど中
和したとすると、
ncV = n’c’V’
中和の完結した点すなわち中和点を知るには、中和点付近で変色する pH 指示薬
を用いる。
【例題】
濃度のわからない水酸化ナトリウム水溶液 20.00ml を中和するのに、濃度 0.106mol/l の硫
酸 21.25ml を要した。水酸化ナトリウム水溶液の濃度は何 mol/l か。
【解答】
反応式は、
2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O
であり、ncV = n’c’V’の式より、
2×0.106×21.25 = 1×c’×20.00
∴c’= 0.225[mol/l]
4. 生活や工業と酸・塩基
・無機化学工業
酸・塩基のような化学工業の基礎薬品をつくる工業、およびこれらと鉱石を用い
て化学肥料や各種の工業薬品をつくる工業
・硫酸
肥料や繊維の製造に使われるほか、火薬・塗料など、その用途は酸の中でもっと
も広い。
・天然の pH 指示薬
リトマス … 地中海沿岸などに産する種々の苔などから
アントシアニン … 紫キャベツ，シソなどから
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第6章
食塩とアルカリ金属・ハロゲン
1. 海水と製塩
・製塩
イオン交換膜を使って海水を濃縮する (イオン交換膜法)
2. アルカリ金属
2-1 アルカリ金属の性質
・アルカリ金属(alkali metals)
密度が小さい
やわらかい
融点が低い
価電子を 1 個持ち、1 価の陽イオンになりやすい
→ 単体として天然に存在しない
・炎色反応(flame reaction)
アルカリ金属およびその化合物を酸化炎中で加熱すると元素固有の色がつく
2-2 ナトリウムとその化合物
①ナトリウム Na (sodium)
加熱融解した塩化ナトリウムを電気分解すると得られる
銀白色のやわらかい金属
空気に触れると直ちに酸化されて酸化ナトリウム Na2O を生じ、光沢を失う
空気中で熱すると、過酸化ナトリウム Na2O2 を生じる。
ナトリウムおよびその酸化物は水と容易に反応し、水酸化ナトリウムを生じる
2Na + H2O → 2NaOH + H2
②塩化ナトリウム NaCl (sodium chloride：食塩)
結晶はイオン結晶で、電気を通さない
水に溶かすか加熱融解させると電気を通す
NaCl 水溶液に硝酸銀水溶液を加えると白色の塩化銀 AgCl を生じる
→塩化物イオンの検出に用いる
NaCl + AgNO3 → AgCl + NaNO3
③水酸化ナトリウム NaOH (sodium hydroxide)
カセイソーダ(caustic soda)とも呼ばれる
潮解性がある (空気中で水蒸気を吸収して溶ける)
水溶液は強塩基性で、アルミニウムや亜鉛を溶かして水素を発生させる
固体および水溶液は二酸化炭素を吸収して炭酸ナトリウムになる
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
④炭酸ナトリウム Na2CO3 (sodium carbonate)
ソーダ灰(soda ash)とも呼ばれる
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水溶液は強塩基性
工業的にはアンモニアソーダ法でつくられる
風解性がある (結晶水を失って粉末状になる)
ガラスの原料が主
※アンモニアソーダ法
H2O
CaO
Ca(OH)2
CaCl2
NH3
CaCO3
CO2
NaClaq
NH3
NH4Cl
NaHCO3
Na2CO3
CO2
⑤炭酸水素ナトリウム NaHCO3 (sodium hydrogen carbonate)
重曹とも呼ばれる
水溶液は弱塩基性
食品、消化器用薬剤に用いられる
2-3 その他のアルカリ金属
①リチウム Li (lithium)
金属のうちで原子量と密度がもっとも小さい
リチウム電池、アルミニウムやマグネシウムの合金、半導体材料などの製造に用
いられる
②カリウム K (potassium)
・カリウム
ナトリウムに似た金属だがナトリウムより反応性が高い
カリウムの化合物は、それと対応するナトリウムの化合物と似た性質を示す
・水酸化カリウム KOH
二酸化炭素の吸収材として用いられる
・塩化カリウム KCl
肥料のほかカリウム塩の製造原料に用いられる
・炭酸カリウム K2CO3
硬質ガラスの製造などに用いられる
3. ハロゲン
3-1 塩素とその化合物
・塩素 Cl2 (chlorine)
強い刺激臭のある黄緑色の気体で、空気より重く、毒性が強い
反応性が高く、ほとんどすべての元素と化合物を作る
工業的には、塩化ナトリウム水溶液を塩基分解する
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・塩化水素 HCl (hydrogen chloride)
水に非常に溶けやすい無色の気体
→ 水溶液は塩酸
刺激臭があり、湿った空気中では白煙を生じる
・塩酸(hydrochloric acid)
強い酸性を示す
金属を溶かして、それぞれの塩化物と水素を生じる
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
・合成塩酸
水素と塩素を直接化合させ、生じた塩化水素を水に吸収させて製造
・副生塩酸
種々の塩素化合物を製造するとき副産物として生じる塩化水素を水に吸
収させて製造
3-2 フッ素・臭素・ヨウ素とその化合物
①フッ素とその化合物
・フッ素 F2 (fluorine)
刺激臭の強い淡黄色の気体で、猛毒性
反応性が高い
・フッ化水素 HF (hydrogen fluoride)
水素と爆発的に反応して生成
工業的には蛍石(CaF2)と硫酸から製造する
CaF2 + H2SO4 → 2HF + CaSO4
水溶液はフッ化水素酸と呼ぶ
→ ガラスを溶かす
・フッ素と炭素からできている高分子化合物
耐熱性・耐薬品性に優れている
他のものと粘着しにくく、優れた潤滑性を持つ
・フロン
塩化フッ化炭素 CCl2F2 など
液化しやすい気体で毒性がなく燃えにくい
高空のオゾン層でオゾンを分解する
②臭素とその化合物
・臭素 Br2 (bromine)
暗赤色の重い液体で、刺激臭の強い赤褐色の蒸気を発生する
腐食性が強く有毒
水に少し溶けて酸化力の強い臭素水をつくる
・臭化水素 HBr
塩化水素と似た気体
③ヨウ素 I2 (iodine)
特有の刺激臭のある黒紫色の結晶で金属光沢がある
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昇華性がある
デンプンの水溶液と鋭敏に反応する
→ヨウ素デンプン反応
3-3
ハロゲンの性質
非金属元素で、単体は 2 原子分子
反応性に富むので、天然に単体では存在しない
原子量の小さいものほど反応性が高い
4. 海水の利用
4-1 海水を利用する工業
・ソーダ工業
製塩で得られた食塩を原料にする工業
4-2 海水の淡水化
・淡水化工業
海水から淡水を得る工業
・蒸発法
海水を加熱し発生した水蒸気
を凝縮
・膜法
半透膜を用いる方法
4-3 ソーダ工業
①ソーダ灰 Na2CO3
アンモニアソーダ法または塩安ソーダ法で製造
②アンモニアソーダ法 (ソルベー法)
原料の食塩に、水，アンモニア，二酸化炭素を作用させてソーダ灰を得る方法
副生物として塩化カルシウム CaCl2 が生じる
特徴：アンモニアと二酸化炭素を循環させて利用
H2O
CaO
Ca(OH)2
CaCl2
NH3
CaCO3
CO2
NaClaq
NH3
NH4Cl
NaHCO3
Na2CO3
CO2
1) 炭酸水素ナトリウムの製造
NH3 + CO2 + NaCl + H2O → NaHCO3 + H2O
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2) ソーダ灰 Na2CO3 の製造
2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O
3) 二酸化炭素の製造とアンモニアの回収
二酸化炭素は石灰石とコークスとともに焼く
CaCO3 → CaO + CO2
C + O2 → CO2
生石灰に水を加える
CaO + H2O → Ca(OH)2
アンモニアを回収する
2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2H2O + 2NH3
③塩安ソーダ法
特徴：母液を循環させることで食塩利用率が 100%
(アンモニアソーダ法は約 75%)
副生物の NH4Cl は肥料として用いる
④カセイソーダ
食塩の電気分解によって製造
・水銀法 → 公害問題
↓
・隔膜法 →NaCl が混入し、純度が低い
↓
・イオン交換膜法
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第7章
元素の性質と化学結合
1. 元素の分類と周期表
1-1 同族元素
・同族元素
周期表で同じ縦列に並んだ元素の集まり
・希ガス
18 族元素
・アルカリ金属
水素を除く 1 族元素
・アルカリ土類金属
2 族元素の Ca, Sr, Ba, Ra (Be, Mg を除く)
天然には主として地殻中に塩の形で存在
・希土類元素 (rare earth element)
3 族元素の Sr, Y + ランタノイド + 17 族元素
1-2 金属元素と非金属元素
・金属元素(metallic element)
金属としての性能を示す元素
→ 単体が光沢をもち熱や電気をよく導く
周期表の左側に位置する
陽イオンになりやすい
元素の約 80%が金属元素
・非金属元素(nonmetallic element)
金属元素以外の元素
陰イオンになりやすい (水素, 希ガスを除く)
1-3 典型元素と遷移元素
・典型元素(typical element)
1,2,12~18 族元素
一部の金属元素と全ての非金属元素
・遷移元素(transition element)
3～11 族元素
全て金属元素
化合物やイオンは特有の色を示すものが多い
2. 化学結合
2-1 イオン結合とイオン結晶
①イオン結合
・電子式
元素記号の周りに最外殻電子の数を点で表した式
例) H･
・イオン結合(ionic bond)
イオンが静電気的に引き合ってできる結合
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②イオン結晶
・結晶(crystal)
原子，分子，イオンが規則正しく並んだ固体
・イオン結晶(ionic crystal)
結晶を構成している粒子が陽イオンと陰イオンである結晶
結合力は非常に強い
一般に硬くてもろい
融点が高く、高温で融解したものは電気を通す
2-2 共有結合と共有結合結晶
・共有電子対(shared electron pair)
共有された 2 個(1 対)の電子
・共有結合(covalent bond)
2 つの電子が互いに相手の電子を共有し、それぞれの原子が希ガス形の電子配置
を取って安定化する結合
単体および非金属元素どうしの化合物に多い
・構造式
1 対の共有電子対を 1 本の線(価標)で表した式
例)
H2
H-H
O2
O=O
・結合角(bond angle)
共有結合は、原子同士がある決まった角度で結合する
・結合距離(bond length)
たがいに結合している原子核間の距離
②共有結合結晶
非常に多数の原子が共有結合で規則正しく配列した結晶
一般に融点が高く、硬く、電気を通さない
2-3 原子価と電子配置
・共有結合の場合
共有結合をつくることのできる電子の数が、その元素の原子価に等しい
・イオン結合の場合
イオン結合を形成する元素の原子価は、そのイオンの価数に等しい
2-4 分子の極性と電気陰性度
①極性分子
・無極性分子(nonpolar molecule)
同種の原子が結合している場合、共有電子対は両方の原子核から等しい距離にあ
って、電気的な偏りを生じない
例) H2 , Cl2 , CO2
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・極性分子(polar molecule)
共有電子対が一方に引き寄せられ、極性を生じる
例) H2O , HCl , NH3
分子の極性は、融点・沸点・蒸発熱・溶解度などに影響を及ぼす
②電気陰性度(electronegativity)
原子が電子を引き寄せる力の大きさを数値で表したもの
周期表上では、一般に右上にある元素ほど数値が大きい
電気陰性度の差が大きい → イオン結合
〃
小さい → 共有結合
2-5 配位結合
・配位結合(coordinate bond)
他の原子の非共有電子対を利用した結合
→ 共有される電子が 2 つとも一方の原子から提供される
・非共有電子対(lone pair)
結合に関係していない 2 個(1 対)の電子
2-6 分子間に働く力
①水素結合
水分子は極性分子で、分子間に弱い水素結合
→融点や沸点が高くなる
②ファンデルワールス力と分子結晶
・ファンデルワールス力(van der Waals force)
極性のない分子同士に働く引力
原子やイオン同士を結び付けている力より非常に弱い
一般に軟らかく、容易に融解し、昇華するものが多い
・分子結晶(molecular crystal)
ファンデルワールス力による分子の結晶
例) ドライアイス，ヨウ素
2-7 金属結合と金属の結晶
①金属結合
・金属
特有の光沢をもち、熱や電気の導きが高い
延性・展性がある
・自由電子(free electron)
金属原子から価電子が飛び出して金属陽イオンの周囲を自由に飛び回っている
・金属結合(metallic bond)
自由電子によって陽イオンが結び付けられている結合
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2-8 結晶構造
①結晶と無定形物質
固体は結晶と無定形物質に分けられる
・微結晶(microcrystal)
金属のように微細な結晶の集まった結晶
・単結晶(single crystal)
ダイヤモンドのように単一のはっきりした結晶形を示すもの
・無定形物質(アモルファス，非結晶)
ガラスやゴムなどのように結晶を形づくっていない固体
温度を上げていくと次第に軟らかくなり、はっきりした融点を示さない
②結晶格子
・結晶格子(crystal lattice)
結晶の中の粒子の規則的な配列
繰り返しの単位になっている最小の格子を単位格子という
・単位格子(unit cell)
・単純立方格子
・体心立方格子
・面心立方格子
・六方最密格子
3. 生活と元素
3-1 地殻を構成する元素
酸素 O 46.6%
ケイ素 Si
他に Fe, Ca, Na, Mg など
27.7%
アルミニウム Al
8.1%
3-2 鉱物資源
①鉄の鉱石と製錬
鉄 Fe は地殻中に Al に次いで多い
鉄の単体は赤鉄鉱 Fe2O3 や磁鉄鉱 Fe3O4 などの鉄鉱石を溶鉱炉中でコークスと反
応させて得られる
・銑鉄(pig iron)
溶鉱炉で得られた鉄で炭素(約 4％)や Si などの不純物を含む
・鋼(steel)
融解した銑鉄を転炉に入れて酸素を吹き込み、炭素を燃焼させて炭素の
量を 0.2〜2%にしたもの
②アルミニウムの鉱石と製錬
アルミニウムは地殻中に最も多く混在する金属元素
Al の単体は、ボーキサイト(主成分 Al2O3･nH2O)から純粋な酸化アルミニウム
Al2O3 を取り出し、これを融解塩電解して得られる。
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