- クロリル、臭素、ヨウ素の色および揮発性の傾向を記述する
- ハロゲン分子の結合能の傾向を記述・説明する
- 一時的双極子-誘起双極子力に基づいて元素の揮発性を解釈する
第17族
A-Level 化学 · トピック 11
7:28
第17族
ここに無色の溶液が3つあります。見た目も全く同じです。一つは塩化物、一つは臭化物、一つはヨウ化物—but、それらを区別することはできません…
英語ナレーション・英語＋中文字幕 burning-in
11.1
ハロゲンの物理的性質
シラバス
出典: Cambridge International シラバス
ハロゲンは第17族の元素である。これらは二原子分子として存在する（$\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$）。族を下るにつれて：
| 元素 | 室温での色および状態 |
|---|---|
| クロリン | 淡緑色の気体 |
| 臭素 | 赤茶色の液体 |
| ヨウ素 | 灰黒色の固体（紫色の蒸気） |
揮発性（物質が蒸気になる难易さ）は族を下るにつれて減少する：クロリンは気体だが、ヨウ素は固体である。これは分子が大きくなり電子数が増えるため、分子間の瞬間双極子および誘起双極子の相互作用が強くなるからである。強い相互作用はbreakingしにくいため、沸点は上昇し、揮発性は低下する。
$\text{X}\text{–}\text{X}$ 分子の結合エネルギー（結合強さ）は、一般に$\text{Cl}_2$ から$\text{I}_2$ へ下るにつれて減少する。大きな原子では共有電子対が核から遠ざかるためである。
探索
ハロゲン物理的傾向実験
族を下っていき、状態、色、揮発性を関連付けよ。
語彙
練習する
| English | 日本語 |
|---|---|
| halogen/ˈhælədʒn/ | ハロゲン |
| group/ɡruːp/ | グループ |
| volatility/ˌvɒləˈtɪlɪti/ | 揮発性 |
| instantaneous dipole/ˌɪnstənˈteɪnɪəs ˈdaɪpəʊl/ | 瞬間双極子 |
| induced dipole/ɪnˈdjuːst ˈdaɪpəʊl/ | 誘起双極子 |
| bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ | 結合エネルギー |
| oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ | 酸化剤 |
| hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/ | 水素ハライド |
| thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/ | 熱安定性 |
| halide ion/ˈhælaɪd ˈaɪɒn/ | ハロゲン化物イオン |
| reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ | 還元剤 |
| ammonia/æˈməʊnɪə/ | アンモニア |
11.2
ハロゲンおよび水素ハロゲンの化学的性質
シラバス
- 元素の酸化剤としての相対的な反応性を記述する
- 元素の水素との反応を記述し、これらの反応における相対的な反応性を説明する
- ハロゲン化水素の相対的な熱安定性を記述し、結合能に基づいて説明する
出典: Cambridge International シラバス
ハロゲンの酸化剤としての作用
各ハロゲンは電子を1個受け取って$1-$ イオンを形成するため、酸化剤として振る舞う。この酸化力は族を下るにつれて減少する。大きな原子は余分な電子を強く引き寄せないからである。反応性の高いハロゲンは、より反応性の低いハロゲンをその塩から置換できる：
$$\text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2$$
水素との反応
各ハロゲンは水素と反応して水素ハロゲンを生成する：
$$\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$$
族を下るにつれて反応は穏やかになる：クロリンは光中で爆発的に反応し、臭素は加熱が必要で、ヨウ素はゆっくりと部分的にしか反応しない。
水素ハロゲンの熱安定性
水素ハロゲンの熱安定性は族を下るにつれて減少する。ハロゲン原子が大きくなるとH–X結合は弱くなるため、HIは軽く加熱するだけで分解するが、HClは非常に安定している。
探索
ハロゲンと水酸ハロゲン実験
ハロゲン化学を酸化力と還元力の強さによって分類せよ。
11.3
ハロゲンイオンの反応
シラバス
- ハロゲン化物イオンの還元剤としての相対的な反応性を記述する
- ハロゲン化物イオンの次のような反応を記述・説明する：(a) 水溶液銀イオン followed by 水溶液アンモニア（$[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$錯体形成および式は不要）(b) 濃硫酸、配位数化学方程式を含む
出典: Cambridge International シラバス
ハロゲンイオンの還元剤としての作用
ハロゲンイオン（例えば$\text{Cl}^-$ ）は電子を放出することができ、還元剤として振る舞う。この還元力は族を下るにつれて増加する。大きなイオンは最外殻の電子を緩やかに保持するためである。
水溶液中の銀イオンとの反応
水溶液状の硝酸銀を加えた後、水溶液状のアンモニアを加えて、ハロゲン化銀の沈殿の色からハロゲンイオンを同定する：
| ハロゲンイオン | $\text{Ag}^+$ との沈殿 | アンモニア中での溶解性 |
|---|---|---|
| $\text{Cl}^-$ | 白色 | 希釈アンモニアに溶解 |
| $\text{Br}^-$ | クリーム色 | 濃アンモニアのみで溶解 |
| $\text{I}^-$ | 黄色 | アンモニアに不溶 |
濃硫酸との反応
すべてのハロゲンイオンはまず水素ハロゲンを生成する。その後、より強い還元剤である下位のハロゲンイオンは酸によって酸化される：
$$\text{NaCl} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{HCl}$$
- クロリドは$\text{HCl}$ のみを生成する（酸化還元反応なし）。
- ブロミドは褐色の$\text{Br}_2$ と$\text{SO}_2$ も生成する。
- イオジドは$\text{I}_2$ を生成し、悪臭ガスの$\text{H}_2\text{S}$ と$\text{SO}_2$ も生成する。$\text{I}^-$ は最も強い還元剤だからである。
探索
ハロゲン化物イオン検出実験
ハロゲン化物イオンの証拠と存在するイオンを対応させよ。
語彙
練習する
| English | 日本語 |
|---|---|
| precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ | 沈殿物 |
| oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ | 酸化数 |
| disproportionation/ˌdɪsprəˈpɔːʃəneɪʃn/ | 歧化反応 |
| water purification/ˈwɔːtə ˌpjʊərɪfɪˈkeɪʃn/ | 水道水浄化 |
| bacteria/bækˈtɪərɪə/ | 細菌 |
11.4
クロリンの反応
シラバス
- 酸化数の変化に基づいて、クロリンが冷水および熱水水酸化ナトリウム溶液と反応することを記述・解釈し、これらが歧化反応であることを認識する
- クロリンの水道水浄化での使用を説明し、化学式を用い、細菌を殺害する活性種である$\text{HOCl}$および$\text{ClO}^-$の生成を含む
出典: Cambridge International シラバス
水酸化ナトリウムとの反応
低温・希水酸化ナトリウム中では、クロリンは塩化物と亜塩素酸塩（I）を生成して反応します：
$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$
高温・濃水酸化ナトリウム中では、塩化物と塩素酸塩（V）を生成します：
$$3\text{Cl}_2 + 6\text{NaOH} \rightarrow 5\text{NaCl} + \text{NaClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$
どちらもクロリンの酸化数が$0$から上昇し下降するため、両方とも**不均衡反応（ディsproportionation）**です。
水処理におけるクロリン
水処理のため少量のクロリンが水中に加えられます。水と反応します：
$$\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HOCl} + \text{HCl}$$
活性種である$\text{HOCl}$と$\text{ClO}^-$が細菌を殺し、水を飲料可能にします。
** worked example.** 固体$\text{NaCl}$、$\text{NaBr}$、$\text{NaI}$をそれぞれ濃硫酸$\text{H}_2\text{SO}_4$と共に加熱したとき、生成物を予測せよ。群を下るにつれて還元力は強まるため、各ハロゲン化物が硫酸を還元する程度は異なります。$\text{Cl}^{-}$は還元力が弱すぎて全く還元できないため、蒸気状の$\text{HCl}$のみが生じ、これは酸塩基反応です。$\text{Br}^{-}$はわずかに還元します：$\text{HBr}$に加え、茶色の$\text{Br}_2$と$\text{SO}_2$も生じます。$\text{I}^{-}$は最も強い還元剤です：$\text{HI}$に加え$\text{I}_2$が生じ、硫黄を$\text{H}_2\text{S}$まで完全に還元します（腐卵臭があります）。すべてのハロゲン化物は最初に水化ハロゲンを生成しますが、追加の生成物はハロゲン化物が硫黄を攻撃できるほど強い還元剤である場合にのみ現れます。
探索
塩素反応ルート
水道処理から酸化還元反応まで塩素を追跡せよ。
11.4
試験対策
- ハロゲンは群を下るにつれて反応性が低下します（電子を受け取りにくくなる）；酸化力は減少します。
- 置換反応: より反応性の高いハロゲンが、より反応性の低いハロゲンイオンを置換する — 色の変化を示しなさい。
- $\text{AgNO}_3$を用いてハロゲンイオンをテスト：白（$\text{Cl}^-$）、クリーム（$\text{Br}^-$）、黄色（$\text{I}^-$）、その後希/濃アンモニア水で確認する。
- クロリンと水、および冷たい$\text{NaOH}$との反応は不均衡反応である — 酸化数の変化を示しなさい。
このトピックのインタラクティブ授業
一歩ずつ進め、即時チェック付きの問題で学習します。