章末問題

$\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}$

亜鉛の酸化数は $0 \to +2$(酸化)、水素イオンの酸化数は $+1 \to 0$(還元)に変化する。

答え:Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2。Znは0→+2(酸化)、Hは+1→0(還元)。

$\ce{Cl2 + 2KBr -> 2KCl + Br2}$

ハロゲン単体の酸化力は $\mathrm{Cl_2 > Br_2}$ の順であるため、酸化力の強い塩素が臭化物イオンから電子を奪って還元され塩化物イオンになり、臭化物イオンは酸化されて臭素の単体が遊離する。

答え:Cl2 + 2KBr → 2KCl + Br2。塩素は臭素より酸化力が強く、Br⁻から電子を奪って還元されるため反応が進む。

$\mathrm{AgCl}$ は白色、$\mathrm{AgBr}$ は淡黄色の沈殿を生じる。これらのハロゲン化銀は光によって銀の単体と対応するハロゲン単体に分解する性質(感光性)を持ち、写真フィルムの感光剤として利用されてきた。

答え:AgCl(白)、AgBr(淡黄)。感光性(光による分解)。

還元剤としてはたらく例:$\ce{SO2 + Br2 + 2H2O -> H2SO4 + 2HBr}$(硫黄の酸化数が $+4 \to +6$)

酸化剤としてはたらく例:$\ce{SO2 + 2H2S -> 3S + 2H2O}$(硫黄の酸化数が $+4 \to 0$)

答え:還元剤の例 SO2+Br2+2H2O→H2SO4+2HBr。酸化剤の例 SO2+2H2S→3S+2H2O。

$\ce{S + O2 -> SO2}$

$\ce{2SO2 + O2 -> 2SO3}$

(酸化バナジウム(V)を触媒とする)

$\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}$

答え:S+O2→SO2、2SO2+O2→2SO3(V2O5触媒)、SO3+H2O→H2SO4

$\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$ は気体分子数が減少する発熱反応であるため、ルシャトリエの原理より高圧・低温がアンモニア生成に有利である。しかし温度を下げすぎると反応速度が低下し実用的な時間で平衡に達しなくなるため、触媒で反応速度を確保しつつ、収率と速度のバランスが取れる高圧・中程度の温度で操業する。

答え:高圧・低温は平衡の面で有利だが、低温すぎると反応速度が落ちるため、触媒を使い高圧・中温で収率と速度を両立させている。

鉄の表面が濃硝酸によってただちに酸化され、緻密で薄い酸化被膜(不動態)が生じる。この被膜が内部の鉄を保護するため、それ以上反応が進行しなくなる。

答え:鉄の表面に緻密な酸化被膜(不動態)ができ、内部が保護されて反応が進まなくなるため。

ケイ素の製法:$\ce{SiO2 + 2C -> Si + 2CO}$。還元剤としてはたらくのは炭素 $\mathrm{C}$。

製鉄の反応:$\ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}$。こちらも一酸化炭素(炭素由来)が還元剤としてはたらいており、いずれも「酸化物から炭素(や一酸化炭素)が酸素を奪う」という共通の考え方に基づいている。

答え:SiO2+2C→Si+2CO(還元剤は炭素)。Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2。