無機化学「16族元素」酸素・硫黄の単体と化合物の性質

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無機化学の16族元素である、酸素Oと硫黄Sについて学習します。特にここでは、硫酸の工業的製法である「接触法」が頻出になります。

酸素の単体

酸素の単体には同素体がありました。酸素O2オゾンO3です。それぞれの性質や製法をしっかりと覚えましょう。

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酸素O2

酸素O2は酸素原子Oの2原子分子です。2原子分子ですので原子の形は直線形で、無色・無臭。空気中に約20%含まれており、液体空気の分留によって得ることができます。

酸素の製法

酸素を実験室でつくり出すには、次の2つの方法があります。いずれも酸化マンガン(Ⅳ)は触媒としてはたらきます。

  1. 過酸化水素水に酸化マンガン(Ⅳ)を加える。
    2H2O2→2H2O+O2
  2. 塩素酸カリウムと酸化マンガン(Ⅳ)の混合物を加熱する。
    2KClO3→2KCl+3O2

オゾンO3

オゾンO3は酸素原子Oの3原子分子です。分子のかたちは折れ線形で、淡青色で特異臭の気体です。地上20km付近で濃度が高く、この層をオゾン層といいます。

オゾンの製法

オゾンO3は、酸素O2の中で無声放電を行うか、酸素O2に紫外線を照射することで得られます。

  • 3O2→2O3

オゾンO3の検出方法

オゾンは強い酸化作用を示す気体ですので、湿ったヨウ化カリウムデンプン紙で調べることができます。

  • ヨウ化カリウムデンプン紙→青紫色
    2KI+O3+H2O→I2+2KOH+O2
    I2ができるのでヨウ素デンプン反応が起こり青紫色になる。

硫黄の単体

硫黄にも同素体があります。斜方硫黄S8、単斜硫黄S8、ゴム状硫黄Sxです。単斜硫黄やゴム状硫黄を常温で放置すると、安定な斜方硫黄に変化します。

硫黄の単体を空気中で加熱すると、青い炎をあげて燃え二酸化硫黄SO2になります。

硫黄の化合物

硫黄の化合物は、酸化還元反応で頻繁に登場します。酸化剤になるのか還元剤になるのかなどしっかりと覚えましょう。覚える化合物は次の3つです。

  • 硫化水素H2S
  • 二酸化硫黄SO2
  • 硫酸H2SO4

硫酸は次の記事で説明します。

硫化水素H2S

硫化水素H2Sは、無色で腐卵臭の有毒な気体です。水に溶かすと弱酸性を示します。また、強い還元作用を持つ気体で、硫黄Sに変化し黄白色の沈殿が生じます。

  • SO2+2H2S→3S↓+2H2O
  • H2S+I2→S↓+2HI

硫化水素の実験室的製法

硫化水素を実験室で発生させる場合は、硫化鉄(Ⅱ)FeSに強酸である塩酸か硫酸を加えて発生させます。

  • FeS+2HCl→FeCl2+H2S↑

二酸化硫黄SO2

二酸化硫黄SO2無色で刺激臭の有毒な気体です。水に溶かすと亜硫酸H2SO3となり弱酸性を示します。また、SO2は亜硫酸ガスとも呼ばれます。

還元剤としてはたらく場合

多くの場合、二酸化硫黄は還元剤としてはたらきますので、漂白剤として使用されています。過酸化水素H2O2と二酸化硫黄SO2の反応では、SO2がSO42-になり、H2O2はH2Oになります。

  • H2O2+SO2→H2SO4

酸化剤としてはたらく場合

強い強い還元作用を持つ気体である硫化水素H2Sと反応する場合は二酸化硫黄は酸化剤としてはたらき、硫黄Sに変化し黄白色の沈殿が生じます。

  • SO2+2H2S→3S↓+2H2O

二酸化硫黄の実験室的製法

二酸化硫黄SO2の実験室的製法は次の2つを覚えておきましょう。

  1. 銅に濃硫酸を加え加熱する。
    Cu+2H2SO4→CuSO4+SO2↑+2H2O
  2. 亜硫酸ナトリウムに希硫酸を加える。
    Na2SO3+H2SO4→Na2SO4+SO2↑+H2O
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