典型元素の性質

周期表の族ごとの代表物質と、イオン反応による識別を学ぶ。

この単元の目標

各族元素の性質の類似性・周期性を説明できる
陽イオン・陰イオンの確認反応を使い分けられる

📑 目次

おもな族の特徴
陽イオンの確認反応
小ネタ: 元素記号クイズ
族の似た性質は外側の電子から生まれる
酸化物・水酸化物は相手との関係で分類する

おもな族の特徴

族	代表元素・化合物	特徴
1族（アルカリ金属）	Na, K	軟らかい金属、水と激しく反応して水素を発生
2族	Ca, Ba	炎色：Ca 橙赤色／Ba 黄緑色。Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄（白色沈殿）
13〜14族	Al, C, Si	Al は両性元素。SiO₂ はガラスの主成分
15族	N, P, NH₃	窒素固定。アンモニアは弱塩基
16族	O, S	H₂S は悪臭有毒気体、SO₂ は亜硫酸の酸化物
17族（ハロゲン）	Cl₂, Br₂, I₂	酸化力：Cl₂ > Br₂ > I₂ の順に弱くなる
18族（希ガス）	He, Ne, Ar	単原子分子、反応しにくい

陽イオンの確認反応

イオン	試薬	観察される変化
Cu²⁺	少量から過剰のアンモニア水	少量で淡青色の Cu(OH)₂ 沈殿。過剰で溶けて深青色溶液
Fe³⁺	KSCN 水溶液	血赤色溶液
Ag⁺	塩酸	白色沈殿（アンモニア水に溶ける）
Zn²⁺	NaOH / NH₃ 水溶液	少量で白色の Zn(OH)₂。過剰の NaOH ではヒドロキシド錯体、過剰の NH₃ ではアンミン錯体となり溶ける
Pb²⁺	H₂S / 塩酸	黒色（PbS）/ 白色（PbCl₂）

例題

ある水溶液に少量のアンモニア水で青白い沈殿、過剰で溶けて深青色になった。含まれるイオンは？

解答・解説

**Cu²⁺**。 $\mathrm{Cu(OH)_2}$ の沈殿が過剰のアンモニアで $[\mathrm{Cu(NH_3)_4}]^{2+}$ として溶解する。

陽イオン分離では「両性（Zn²⁺, Al³⁺）」「アンミン錯体を作る（Cu²⁺, Ag⁺, Zn²⁺）」の2つの性質を軸に系統的に整理するのが定石です。

小ネタ: 元素記号クイズ

族の似た性質は外側の電子から生まれる

なぜNaとKは似ているのに、同じ周期のNaとClは大きく違うのでしょう。化学結合やイオン化では主に原子の外側の電子が関わるため、最外殻電子の配置が似た同族元素は似た性質を示すからです。Naの電子配置を殻ごとの2, 8, 1と書けば、電子を1個失ったNa⁺は2, 8となります。Clは2, 8, 7から1個受け取って2, 8, 8となります。閉殻に近づく傾向は、NaClの陽・陰イオンの価数を整理する手掛かりになります。

食塩が金属ナトリウムや塩素とは異なる性質をもつのは、物質の性質が元素名だけではなく、電子状態と粒子の結びつき方に依存するためです。「Naを含むから水と激しく反応する」とは言えません。また、閉殻になることだけで反応全体の進みやすさは決まらず、電子を失うエネルギーや結晶形成・水和なども関わります。

整理の軸	代表例	注意点
価電子と主な単原子イオン	Na → Na⁺、Mg → Mg²⁺、Cl → Cl⁻	原子がそのまま同じ性質で残るわけではない
同周期の酸化物	Na₂Oは塩基性、Al₂O₃は両性、SiO₂は酸性	水に溶けるかどうかとは別の分類
同族の原子半径	一般に下の周期ほど大きい	電子殻が増える。反応性の全傾向を半径だけでは説明できない

1族にあるHはアルカリ金属ではありません。また、希ガスは価電子数を0として扱う高校での慣用がありますが、最外殻電子がないわけではありません。Heには2個、NeやArには8個あります。「最外殻電子数」と「結合に関わる価電子数」の用語を区別しましょう。

例題：電子配置から化学式へ

電子配置が2, 8, 2の原子Aと、2, 8, 7の原子Bを考える。Aは2価陽イオン、Bは1価陰イオンになるとして、電気的に中性な化合物の組成式と元素名を求めよ。

解答・解説

Aは電子12個なのでMg、Bは17個なのでCl。電荷を打ち消すには Mg²⁺ 1個にCl⁻ 2個が必要なので **MgCl₂**。下付きの2はClの個数比であり、Clの電荷が−2という意味ではない。

酸化物・水酸化物は相手との関係で分類する

酸と反応する塩基性酸化物、塩基と反応する酸性酸化物、その両方と反応する両性酸化物、という分類は「反応する相手」を見ています。ガラスの主成分SiO₂は水にほとんど溶けませんが、酸性酸化物に分類されます。水溶液のpHだけからは判定できないのです。Al(OH)₃の両性も、酸性側ではAl³⁺、塩基性側ではヒドロキシド錯イオンが安定になるという、化学種の違いとして整理できます。以下は反応式の読解であり、実験操作の指示ではありません。

\mathrm{Al(OH)_3+3H^+\rightarrow Al^{3+}+3H_2O}\qquad \mathrm{Al(OH)_3+OH^-\rightleftarrows[Al(OH)_4]^-}

白色沈殿という情報だけで元素を一意に決めることはできません。色、反応する相手、溶解の有無など複数の情報と候補の範囲を組み合わせます。未知物質を実際に混ぜたり、においで識別したりしてはいけません。ここでは与えられた記録から論理的に候補を絞ります。

例題：白色という共通点から一歩進む

候補はAl(OH)₃とMg(OH)₂のみ。教科書上の性質として、試料Xは酸にも過剰の強塩基にも溶け、試料Yは酸には溶けるが過剰の強塩基には溶けにくいという記録がある。XとYを判定し、X 0.010 molをAl³⁺へ変えるために必要なH⁺の理論量を求めよ。

解答・解説

両性の **XがAl(OH)₃**、**YがMg(OH)₂**。上の式でAl(OH)₃：H⁺ = 1：3より、H⁺は **0.030 mol**。水酸基の3個がそれぞれH⁺と水を作り、電荷も左右とも+3になる。

解答つき練習：族・電荷・分類

Ca²⁺とCl⁻、Al³⁺とO²⁻からできる電気的に中性な化合物の組成式をそれぞれ書け。
解答・解説
**CaCl₂、Al₂O₃**。前者は+2−2=0、後者は2×(+3)+3×(−2)=0。化合物全体の電荷が0になる最小整数比を選ぶ。
Al(OH)₃ 0.020 molがすべて[Al(OH)₄]⁻に変わるとき、式の上で取り込まれるOH⁻は何molか。
解答・解説
**0.020 mol**。Al(OH)₃ + OH⁻ ⇄ [Al(OH)₄]⁻なので比は1：1。酸との反応の1：3を持ち込まない。平衡維持に必要な過剰量はこの化学量論だけでは求められない。
「SiO₂は水にほとんど溶けないので酸性酸化物ではない」という説明は正しいか。
解答・解説
**誤り**。酸性酸化物は塩基との反応で分類する。水への溶解性と酸化物の酸・塩基性は異なる性質で、SiO₂は酸性酸化物である。

確認クイズ：暗記を理由につなぐ

問1. 同族の典型元素が似た化学的性質を示す主な理由は？

問2. 両性酸化物の代表はどれか。

問3. 白色沈殿という記録だけから言えることは？

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