苦手克服！？陽イオンの系統分析

こんにちは！

chem(ケム)です！

「系統分析苦手なんだよな～」

「暗記しないといけないこと多いからヤダ…」

そんなお困りのあなた！

大丈夫です！

今回はそんな

苦手が多い系統分析の陽イオン

に関して紹介していきます。

陽イオンの系統分析とは

陽イオンの系統分析とは、

水溶液中にどんな金属イオンが潜んでいるか、

を分析することを言います。

産業革命が進んだ時代、

日本では「水俣病」や「イタイイタイ病」などの、

いわゆる四台公害病が流行しました。

これらの原因となったのが、水銀HgやカドミウムCdなどの

重金属を含むイオンです。

このように、水溶液中の金属イオンを識別することは、

実用上かなり大事な作業ということです。

だから系統分析は古くから科学者取り組んだ分野で、

系統分析の手順はその過程でルール化されていったのです。

陽イオンの系統分析の方法

陽イオンの分析を適切に行うためには

一定の手順に従う必要があるのです。

つぎの手順で大きく6つのグループに分ける系統分析方法が有名です。

それぞれの段階を確認していきましょう。

①HClを入れる

まず、塩酸HClを入れることで、

Pb²⁺、Ag⁺、Hg₂²⁺を沈殿させます。

このうち、PbCl₂は熱水に溶け、AgClは過剰のNH₃で[Ag(NH₃)₂]⁺

となって溶けます。

最後まで解けなかったものがHg₂Cl₂

②酸性化でH2Sを入れる

HCl酸性下で硫化水素H2Sを入れます。

この時、酸性状態では

H2S⇄2H⁺+S^2-

上の反応式の平衡が左に進むのでS^2-の量が減ります。

極少量のS^2-でも沈殿しちゃうようなイオンを

ここで沈殿させているのです。

ここで沈殿するのはHg2+、Cu2+、Cd²⁺です。

イオン化傾向がSn以下のものとCdが沈殿しています。

③煮沸＋硝酸→NH3を入れる

次にアンモニアNH₃を入れて水酸化物の沈殿を作ります。

しかしその前に、

Feイオンが硫化水素H₂Sに還元されてFe²⁺になっているので、
煮沸してH₂Sを飛ばし、酸化剤である硝酸を入れてFe³⁺に戻します。

そしてNH₃を加えることで、Al³⁺、Fe³⁺、Cr³⁺が沈殿します。

④塩基性でH2S

NH₃の塩基性状態で再度硫化水素H₂Sを入れます。

つまり、H₂Sによって、Mn²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺が沈殿します。

MnSは桃色沈殿、
ZnSは白色沈殿、
CoSとNiSは黒色沈殿です。

⑤(NH4)2CO3を入れる

残っているのは1族、2族の金属のみです。

(NH₄)₂CO₃を入れることで、2族元素であるCa²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺

が沈殿します。

⑥炎色反応を見る

最後に残った金属はイオン化傾向の高いアルカリ金属のみで

沈殿は作れません。

なので、最後は炎色反応で識別します。

当然のことながら、一度見ても覚えることはできません。

繰り返し見て、問題演習をすれば覚えるようにしましょう！

最後までご覧いただき

ありがとうございました。

工業的製法④「クメン法」

こんにちは！

chem(ケム)です！

「クメン法って何？」

「クメン法、全然覚えられない！」

そんなお困りのあなた！

大丈夫です！

今回は

必ず覚えられるクメン法

を紹介していきます！

クメン法って何？

クメン法は、

現在主流なフェノールの工業的製法です。

クメン法は高校化学で

「暗記してください」

と先生に言われてしまうような

内容だと思います。

そのため、

反応の手順が理解できていないがために

分からなくなってしまうんです。

 クメン法の仕組み

クメン法を理解するためにどのような手順で

反応を進行させているのか説明します。

クメン法の反応は以下の三段階で反応しています。

①クメンを作る

②クメンを酸化する

③酸で分解してフェノールを得る

①クメンを作る

クメン法で用いる材料は、

ベンゼンとプロペンです。

プロペンにH^＋を付加して、ベンゼンのHを置換しに行きます。

この時、プロペンを酸を反応させるときには

マルコフニコフ則が働きます。

ベンゼンのHをイソプロピル基に置換（イソプロピル化）

してクメンを合成します。

②クメンを酸化する

フェノールの-OHが電子不足で

電離したのと同様、

プロピル基の真ん中の炭素は、

ベンゼンがくっつくことで少し電子不足です。

そんなクメンを温めると、

水素が外れてしまうのです。

得られたクメンを酸素で穏やかに酸化すると、

クメンヒドロペルオキシドと呼ばれる過酸化物が生じます。

③酸で分解してフェノールを得る

最後に、希硫酸中で-O-O-結合が切断され、

複雑な反応を経て、

クメンヒドロペルオキシドから最終的に

アセトンとフェノールが得られます。

おそらく皆さんが

一番厄介だと思うのは

「クメンヒドロペルオキシド」の名前と構造だと思います。

しかし、

これは反応の意味を知っていれば、

構造は覚えやすくなるはずですし、

名前も語源を考えればそのままなんです！

暗記だと試験中に急に思い出せなくなった

なんてこともあるので、

暗記ではなく

ちゃんと理解できるようになるまで

一緒に勉強していきましょう！

最後までご覧いただき

ありがとうございました。

工業的製法③「オストワルト法」

こんにちは！

chem(ケム)です！

「オストワルト法聞いたことある！」

「聞いたことあるけど、なんだっけ？」

そんなあなたに！

今回は

オストワルト法

を紹介していきます。

オストワルト法って何？

オストワルト法は

1902年、

フリードリヒ・ヴィルヘルム・オストヴァルト

が考案した方法です。

オストヴァルトは触媒の研究を行い、

肥料や爆薬の大量生産を可能にした硝酸の製法

であるこのオストワルト法を考案しました。

実は、この製法の化学反応は

64年も前に知られていましたが、

当時はその原料であるアンモニアを

大量生産する技法がなかったため注目されていませんでした。

しかし、

1900年代後半にはアンモニアを大量生産する

ハーバー・ボッシュ法が考案されたことで

状況が大きく変わりました。

この２つの技法を組み合わせることで、

間もなく肥料や爆発物の大量生産が

可能になりました。

オストワルト法は

現在でも硝酸の工業的製法として重要であり、

原料のアンモニアを得るために、

ハーバー・ボッシュ法と

同時に行われることが多いんです！

オストワルト法の原理

オストワルト法とは、

白金触媒でアンモニアを酸化させることで一酸化炭素を作り、

それを原料に硝酸を作る手法です。

その反応は以下のように進みます。

①4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O
②2NO+O₂→2NO₂
③3NO₂+H₂O→2HNO₃+NO

これらの反応を順番に説明していきます。

①NH3→NO（白金触媒・800℃）

まず、アンモニアを酸化します。

アンモニアに酸素を触れさせると

以下の反応が発生します。

4NH3＋3O2→2N2＋6H2O

N2＋O2⇄2NO

二つ目の平衡反応は、

エネルギ―的にはNOのほうが不安定だから、

右向きの反応は吸熱反応です。

だから低温の場合はなかなかNOができません。

高温の状態で、さらに白金触媒を使うことで、

二つ目の平衡を右に傾けてNOを作ります。

よって、反応式は次のようになります

4NH3＋5O2→4NO＋6H2O

このように、「白金触媒・800℃」で平衡を操作することで、

うまくNOを作るのがオストワルト法のキモになります。

このように目的のものを手に入れるために、

無理やり高温にしたり触媒を使ったりしているため、

反応が想像しづらいと思います！

②NO→NO2

①で作ったNOは低温で空気に触れると、

すぐ酸化され赤褐色のNO2になります。

2NO＋O2→2NO2

③NO2→HNO3

酸性酸化物のNO2を温水に吸収させると、オキソ酸であるHNO3

が生成します。

3NO2＋H2O→2HNO3＋NO

全体の反応

③では、HNO3と同時に生成しますが、

このNOは②の反応により再びNO2として利用するので、

結局すべてのNH3が最終的にはHNO3に変化することになるります、

したがって、全体の反応式は次のようになります。

NH3＋2O2→HNO3＋H2O

まとめてしまえば、

一酸化窒素や二酸化窒素を経由しながら、

アンモニアを酸化させて硝酸を得る方法

ということになりますね。

このように

化学反応を流れで理解すると

なぜか暗記が楽に感じてきますよね。

自分で反応式が書けるようになるまで復習していきましょう！

最後までご覧いただき

ありがとうございました。

工業的製法⑤「接触法」

こんにちは！

chem(ケム)です！

「接触法ってなに？」

「暗記しててちゃんと理解してないよ…」

そんなあなたに！

今回は

接触法

を詳しく紹介していきます！

接触法とは何か

接触法とは、

工業的に硫酸を大量生産する方法です！

少し接触法の歴史について話すと、

錬金術の時代、古代から中世頃

「金属を溶かす液体」として硫酸が発見されました！

硫酸の金属を溶かす性質と言えば

不純物の混ざった銀や金を純度の高い状態にできます。

この性質から、硫酸は錬金術の時代から重宝されてきました。

このことから、

より効率的に硫酸を作る技術が研究されました。

そんな研究の中で発見された大量の生産方法が、

硫黄を燃やすことでできるSO2を触媒のV2O5に

「接触」させてSO3を作る接触法なんです！

「なんでV2O5を使うの？」

と疑問に思うと思ったと思いますが、

この触媒が見つかったことこそ接触法のキモなんです！

V2O5を用いる接触法が発見されたのが1915年。

長年の研究の末、見つかったこの製法が

100年以上たった今でも利用されています。

接触法の仕組み

接触法は大きく三段階で製造されています。

それらを段階ごとに見ていきます。

１，硫黄または黄鉄鉱を燃やしてSO2を作る

まずは、硫黄、または黄鉄鉱を燃焼させてSO2を取り出します。

それぞれの反応は以下の通りです。

S+O2→SO2

または、

4FeS2+11O2→2Fe2O3+8SO2

昔は、黄鉄鉱からSO2を取り出していました。

しかし、現在は工業廃棄物から脱硫酸装置を使って、

硫酸を取り出すことが得きるので、

硫黄の燃焼で、SO2を生成しています。

２，酸化バナジウム(Ⅴ)を触媒として空気酸化する

１で得たSO2を空気中の酸素によって酸化させることで

SO3を得ます。反応は以下の通りです。

2SO2+O2→2SO3

この反応は活性化エネルギーが非常に高く、

反応がとても進みにくいので

触媒として酸化バナジウムを入れ、活性化エネルギーを下げることで、反応を進みやすくしています。

また、この反応は可逆反応で、正反応(SO3が生成する反応)が発熱反応なので、逆反応（SO2に戻る反応）が起こりにくく、かつ正反応が進みやすい温度（200~600℃）に調整する必要があります。

３，濃硫酸にSO3吸収させて発煙硫酸とし、

それに希硫酸を加えて濃硫酸を作る

最後に、２で得たSO3を濃硫酸に溶かして発煙硫酸とし、これを希硫酸で薄めて濃硫酸にします。

発煙硫酸とは、濃硫酸に過剰にSO3吸収させたもので、常にSO3の蒸気を出しているのでこの名前が付けられています。

ここで、「SO3を水に溶かせばいいんじゃない？」

と思う人もいるでしょう。

SO3を直接水に吸収させると、

大量の発熱が起きてしまい水が沸騰してしまいます。

すると生じた水蒸気にSO3が溶け、空気中に分散してしまいます。

そこで、発熱をできるだけ抑えるために、

濃硫酸にSO3を溶かし、

濃硫酸中の水にSO3をゆっくり吸収させます。

その後、希硫酸で薄めることで所定の濃度で濃硫酸を作ります。

つまり、ここでのSO3と水との反応式は以下の通りです。

SO3＋H2O→H2SO4

接触法は各反応や全体の反応を問われたりするので

きちんと整理しておくようにしましょう！

最後までご覧いただき

ありがとうございました。

暗記しがち？有機化合物の分離

こんにちは！

chem(ケム)です！

「有機化合物の分離はもう暗記でどうにかしている！」

「反応させる溶液で覚えてる」

「原理が全く分からないよ…」

そんなあなた！

ちょっと待ってください！

有機化合物の分離を暗記しようとすると

ただでさえ、

覚えてないとできないような問題

が出てくる化学で

自ら暗記事項を増やすのはナンセンスです！

そこで今回は

有機化合物の分離

を紹介していきます！

有機化合物の

分離の流れ

まずこの分離の流れを説明していきます。

実験をやったことがある方は

それを思い出しながら見てほしいのですが、

ある芳香族化合物を含む混合物

のエーテル溶液を

分液漏斗を用いてそれぞれ抽出して

分離していくのが大まかな流れです。

混合溶液に含まれる芳香族の性質を

活用して有機溶媒の層、

エーテル層と水層に分離していきます。

これが有機化合物の分離の流れです。

有機化合物といっても、

芳香族化合物の分離なんですけどね？

芳香族化合物の分離

芳香族化合物の分離は

まず、次の三つの化合物

フェノール、アニリン、安息香酸の分離方法を

頭に入れてください！

アニリン

アニリンから説明していきます。

アニリンを含む有意溶媒に塩酸を加えると、

アニリンは中和されて

水溶性の大きな塩となり、水層に移動します。

反応後、強塩基性である

水酸化ナトリウムの水溶液を加えると、

弱塩基のアニリンが遊離して再び

有機溶媒層へ移動します。

フェノールと安息香酸

次にフェノールと安息香酸です。

フェノールと安息香酸は酸なので、水酸化ナトリウム水溶液を加えると、

中和されて塩となり水層に移動します。

反応後強酸である塩酸を加えると、弱酸であるフェノールや安息香酸が遊離して、

再び有機層へ移動します。

フェノールと安息香酸の分離

炭酸がカルボン酸より弱い酸で、フェノールより強い酸であることを

利用すると…

フェノールと安息香酸のエーテル溶液に

炭酸水素ナトリウム水溶液を加えると、

安息香酸だけが反応して水に溶ける塩となり、

水層へ移動します。

今度は逆を考えます。

安息香酸ナトリウムとナトリウムフェノキシドの混合溶液に

二酸化炭素を通じると、

フェノールが遊離して、有機層へ移動します。

これらの反応を利用し、

分液漏斗を用いて抽出を行うと、

例えば、フェノール、アニリン、安息香酸、ベンゼン

の混合物のエーテル溶液から

次の手順でそれぞれを分離できます。

それぞれの化合物の反応を理解できると

暗記しないといけないことが減っていくので

反応を理解して勉強していきましょう！

最後までご覧いただき

ありがとうございました。

工業的製法②「ハーバー法(ハーバー・ボッシュ法)」

こんにちは！

chem(ケム)です！

「ハーバー法ってなんだっけ？」

「ハーバー・ボッシュ法ちょっと覚えてないかも」

そんなあなた！

大丈夫です！

忘れているなら覚え直して定着させちゃいましょう！

なので

今回は

ハーバー・ボッシュ法

を紹介していきます！

ハーバー・ボッシュ法って何？

まず、

ハーバー・ボッシュ法は工業的製法で重要な製法なんです！

窒素が空気中に窒素分子の形で含まれているとき、

窒素は不活性であまり役には立っていません。

ところが、より反応性の高いアンモニアなどの形では、

がぜん優れた肥料となります。

これを第一次世界大戦の少し前、

フリッツ・ハーバー(左)とカール・ボッシュ(右)が空気中の窒素を

アンモニアに変える実用的な方法を発見しました。

これが、「ハーバー・ボッシュ法」です。

これは人類史上屈指の重要な発見とされ、

アンモニア肥料は今や世界の3分の1にを養っています。

ハーバー・ボッシュ法の原理

ハーバー・ボッシュ法を理解するためには

「化学平衡」を理解しておく必要があります。

＊＊ここからは化学平衡を理解いてからご覧ください＊＊

ハーバー・ボッシュ法は以下の平衡反応のように

水素と窒素からアンモニアを作ります。

この方法は鉄を主体とした

触媒を用いながら高温・高圧下で次の反応を進めています。

N₂+3H₂⇄2NH₃+92 kJ

この平衡反応は普通なら、

NH3の生成反応は発熱反応かつ気体粒子数減少反応ですから、

ルシャトリエの原理からすれば、

NH3の製造には低温・高圧の条件がいいように思えます。

ではなぜ高温・高圧にするのでしょうか？

高温・高圧の理由

①高圧下で反応させているのは…

平衡時のNH3の収率を上げるためです！

これは化学平衡の原理からわかりますね。

②では、なぜ高温下で反応させるのだろう？

これは確かに低温のほうが

平衡時のNH3の収率は高くなりますが、

温度が低すぎると、

反応速度が遅くなって、

平衡に達するまでに時間がかかるからなのです。

つまり、

高温下で反応させているのは、

反応速度を大きくし、

平衡に早く到達させるためです。

ゆっくりたくさんできるより、

少しずつでも早くできる方が

結果的に収量が多くなるのです。

先にも言いましたが、

これは鉄を主体とした触媒Fe3O4がこの反応のキモなんです！

こればっかりは覚えるしかないので、

この触媒は重要なので必ず覚えてください！

ハーバー・ボッシュ法は、

平衡を進めながら反応速度を上げるために、

Fe3O4を触媒に用いるところがキモでした。

歴史で反応を学ぶと少し面白くなってきますね。

最後までご覧いただき

ありがとうございました。

難しくないジアゾ化とカップリング！？

こんにちは！

chem(ケム)です！

「ジアゾ化・カップリングについて勉強したけどよくわからない…」

「一応、暗記したけどよくわかってない…」

そんなお困りのあなた！

この方法は難しいようで

実は．．．

全然難しくないんです！！

「どうせ、覚えてるから難しくないとか言ってるんでしょ？」

そんなことないです！

反応の仕組みを理解すればあっという間にマスターできるんです！

今回はそんな　

ジアゾ化・カップリング

を紹介していきます！

ジアゾ化・カップリングって何？

まず、ジアゾカップリンングとは何でしょうか？

「ジアゾカップリング」とは

-N=N-というアゾ基を使ってベンゼン環をつなげる反応のことです。

このジアゾカップリングの材料は「アニリン」です。

皆さんアニリン覚えていますか？

アニリンとは

芳香族アミンのことで、

ベンゼン環にアミノ基-NH2が直接ついた化合物のことです！

ジアゾカップリングは要するに、

-N=N-でベンゼン環をつなげるための反応

と覚えてもらってOKです！

ジアゾカップリングの反応の仕組みって？！

ここからは、

みんなさんが苦手とする

反応の仕組みについてです！

ジアゾカップリングは主に

2段階の反応です。

「ジアゾ化」と「カップリング」です！

ベンゼン環がたくさんあるので、

難しそうに見えますが、仕組みを見ていけば意外とシンプルなんです！

私はこの「ジアゾカップリング」を

高校時代にめんどくさがって

ちゃんとやろうとしなかったので

苦労した覚えがあります…

これはちゃんとやれば

出題されたときに必ずできるような問題

になるので、

皆さんはこれを見て確実に覚えておいてほしいです！

ジアゾ化

まずは、アニリンを酸化してアゾ基のもとを作ります

ジアゾ化の材料はアニリンですが、

本当の主人公は実は「亜硝酸ナトリウム」なんです！

亜硝酸HNO2は不安定な物質なので、保存ができません。

そこで、亜硝酸ナトリウムを反応溶液中の塩酸と反応させて、

これを作ります。

次に、HNO2分子がアニリンと形式的には次のように反応します。

ジアゾニウムイオンは次のような(Ⅰ)と(Ⅱ)の平衡状態になっています。

(Ⅱ)の構造は、ベンゼン環の電子がN原子上に流れこみ、

正電荷を分散して安定できるため、(Ⅰ)より(Ⅱ)のほうへ

平衡が傾いています。

ジアゾニウムイオンを作る露機は次のようになります。

ジアゾニウムイオンが5℃以上になると

分解してフェノールと窒素が生成します。

そのため、氷冷して５度以下になるようにします。

カップリング

ジアゾニウムイオンをフェノールなどの-Hと置換反応させると、アゾ基-N=N-を持つアゾ染料と呼ばれる有機色素が生じます。アゾ染料を作るこの反応は、カップリングとかジアゾカップリングといいます。

まず、フェノールをNaOHで中和しておきます。

こうするとフェノキシドイオンとなり、次の置換反応が起こりやすくなるうえに、水によく溶けます。

次に先ほどの塩化ベンゼンジアゾニウム水溶液を氷冷しながらここに加えると、橙赤色のp-ヒドロキシアゾベンゼン(P-フェニルアゾフェノール)

が沈殿してきます。

これでほしかった生成物を得ることができました。

まとめ

要するに、

この反応で重要なことは

第一段階のジアゾ化でジアゾニウム塩を作る

「ただし、反応は氷冷し5度以下で反応させる！」

第二段階のカップリングで

橙赤色の

p-フェニルアゾベンゼンを沈殿させる

第一段階目と同じく

「氷冷下で反応させる」

ということです！

どうですか？

そこまで難しくないですよね？

反応は重要なポイントを押さえられれば

そこまで難しい問題はないんです！

皆さんも一緒に有機の反応の重要なポイントを押さえて

勉強して行きましょう！

ここまでご覧いただき

ありがとうございました。