高校無機化学「16族元素」酸素・硫黄の単体と化合物の性質のポイント

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とオゾン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。

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S_x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は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SO₄^2-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