遷移元素・金属イオンの分離 - 理系の雑学・豆知識

１）遷移元素について

族	3	4	5	6	7	8	9	10	11
元素電子殻	₂₁Sc	₂₂Ti	₂₃V	₂₄Cr	₂₅Mn	₂₆Fe	₂₇Co	₂₈Ni	₂₉Cu
K	2	2	2	2	2	2	2	2	2
L	8	8	8	8	8	8	8	8	8
M	9	10	11	13	13	14	15	16	18
N	2	2	2	1	2	2	2	2	1

遷移元素は周期表上で、３～１１族の元素である。上の₂₁Sc～₂₉Cuの電子配置を見ると、最外殻（この場合Ｎ殻）の電子配置は1個か2個で、１つ内側の殻（この場合Ｍ殻）の電子数は、最大数（この場合は18個）になっていない元素がほとんどである。

遷移元素の単体は、融点,沸点が高く、硬いものが多い。密度も大きく、スカンジウムＳｃ以外は全て密度が４ｇ/ｃｍ^３以上の重金属である。最外殻の電子数が等しい典型元素は同族（周期表の縦の並び）で似た性質を示すが、遷移元素は最外殻の電子は全て１個か２個なので、同一周期の隣り合う元素どうしで似た性質を示す。同一の元素でもFe²⁺とFe³⁺のように、いくつかの酸化数を示す。また、酸化数の高い化合物は酸化力が強く酸化剤として用いられる。遷移元素のイオンは有色の物が多く、錯イオンになる物もある。

Cr³⁺	Mn²⁺	Fe²⁺	Fe³⁺	Co²⁺	Ni²⁺	Cu²⁺	CrO₄^2-	Cr₂O₇^2-	MnO₄^-
緑	淡赤	淡緑	褐	赤	緑	青	黄	橙赤	赤紫

2）遷移元素とその化合物

鉄とその化合物

鉄の単体は赤鉄鉱（主成分Fe₂O₃）や磁鉄鉱（主成分Fe₃O₄）とコークス（C）,石灰石CaCO₃を溶鉱炉に入れ、熱風を送ると、コークスが一酸化炭素COになり、Fe₂O₃やFe₃O₄を還元することで得られる。ここで得られた鉄を銑鉄といい炭素が３～５％含まれている。これを、転炉に移して酸素を吹き込むと、炭素分がCO₂となって抜け、0.04～0.25％の鉄になる。これを鋼という。

Fe₂O₃＋ 3CO → 2Fe ＋ 3CO₂↑　,　Fe₃O₄＋ 4CO → 3Fe ＋ 4CO₂↑

　鉄はイオン化傾向が水素より大きいので、酸に溶けて鉄（Ⅱ）イオンFe²⁺になり、液は淡緑色になる。Fe²⁺は酸化されて鉄（Ⅲ）イオンFe³⁺になりやすく、液はしだいに褐色になってくる。鉄のイオンはさまざまな陰イオンと反応して沈殿したりする。これらの反応は鉄イオンの検出に用いられる

陰イオン	ＯＨ^－	［Ｆｅ（ＣＮ）₆］^3－	［Ｆｅ（ＣＮ）₆］^4－	ＳＣＮ^－
Ｆｅ^２＋淡緑色	淡緑色沈殿	濃青色沈殿	白色沈殿	変化なし

Ｆｅ^３＋黄褐色	赤褐色沈殿	褐色溶液	濃青色沈殿	赤色溶液

［Ｆｅ（ＣＮ）₆］^3－　ヘキサシアノ鉄（Ⅲ）酸イオン

［Ｆｅ（ＣＮ）₆］^4－　ヘキサシアノ鉄（Ⅱ）酸イオン

ＳＣＮ^－　チオシアン酸イオン

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銅とその化合物

銅はイオン化傾向が水素よりも小さいので希塩酸や希硫酸などの酸とは反応しないが、硝酸や熱濃硫酸のような酸化力のある酸には溶ける。銅の化合物である

（濃硝酸）　　Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

（希硝酸）　 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 4H₂O

（熱濃硫酸）　Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

硫酸銅（Ⅱ）CuSO₄は通常は五水和物で青色の結晶である。これを加熱すると、白色粉末の無水硫酸銅（Ⅱ）になる。無水硫酸銅（Ⅱ）は水を反応させると再び硫酸銅（Ⅱ）CuSO₄に戻るので、色の変化から、水の検出に用いられる。銅（Ⅱ）イオンCu²⁺も様々な陰イオンと反応する。

銀とその化合物

　銀の単体は銅と同様にイオン化傾向が水素よりも小さいので希塩酸や希硫酸などの酸とは反応しないが、硝酸や熱濃硫酸のような酸化力のある酸には溶ける。銀イオンAg^＋も他の金属イオン同様、様々な陰イオンと反応する。水酸化物イオンOH^－とは水酸化物AgOHにはならず酸化銀Ag₂Oとなる。これは、AgOHが不安定ですぐに脱水反応が起こり、Ag₂Oとなる。

その他ハロゲンのイオン（ハロゲン化物イオン）と反応し、ハロゲン化銀を沈殿する。ハロゲン化銀には感光性があり、写真のフィルムに利用されている。フッ化銀AgFは他のハロゲン化銀と異なり、水に良く溶け感光性が弱い。酸化銀やハロゲン化銀も水酸化銅（Ⅱ）と同様にアンモニア水と反応して錯イオンであるジアンミン銀イオン（Ⅰ）イオン　[Ag(NH₃)₂]⁺となる。

ハロゲン化物イオン	Cl^－	Br^－	Ｉ^－
ハロゲン化銀	ＡｇＣｌ	ＡｇＢｒ	ＡｇＩ
ハロゲン化銀	白	淡黄	黄

クロム，マンガンとその化合物

クロムCrの酸化数には+2，+3，+6の化合物があるが、最も安定なのは+3の状態であるCr³⁺である。酸化数が+6のものにはクロム酸カリウムK₂CrO₄やニクロム酸カリウムK₂Cr₂O₇があり、ニクロム酸カリウムK₂Cr₂O₇は酸性溶液中でCr³⁺になりやすいので、強い酸化剤である。

クロム酸カリウムK₂Cr₂O₄は黄色の結晶で、水に溶かすと電離してクロム酸イオンCrO₄^2-（黄色）を生じる。この溶液に酸（H⁺）を加えるとニクロム酸イオンCr₂O₇^2-（赤橙色）に変わる。この溶液に塩基（OH^-）を加えると再びクロム酸イオンに戻り黄色に変わる。クロム酸イオンCrO₄^2-はPb²⁺，Ag⁺，Ba²⁺と反応して沈殿を生じる。

2CrO₄^2- + 2H⁺ → Cr₂O₇^2- + H₂O

Cr₂O₇^2- + 2OH^- → 2CrO₄^2- + H₂O

マンガンMnもいくつかの酸化数（+2～+7）があるが、酸性溶液中では+2の状態であるMn²⁺が最も安定である。そのため、過マンガン酸カリウムKMnO₄（+7，黒紫色の結晶）や酸化マンガン(Ⅳ)MnO₂（+4，黒色粉末）はMn²⁺となり酸化作用を示す。

3）金属イオンの沈殿反応

表で覚える

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②　Cl^－を加えると沈殿する金属イオン　･･･　Ag⁺,Pb²⁺　　

PbCl₂は熱湯に溶ける。

AgClは日光を当てると黒っぽい色に変色。また、AgClはアンモニア水に溶解し、錯イオンとなって、無色の水溶液になる。

③　OH^－によって沈殿しない金属イオン　･･･　K^＋,Na⁺, Ba²⁺, Ca²⁺,

④　過剰のNaOH水溶液に溶ける水酸化物　･･･　Al(OH)₃,Zn(OH)₂

⑤　過剰のアンモニア水溶液に溶ける水酸化物（Agの場合は酸化物）　･･･　Cu(OH)₂,Zn(OH)₂, Ag₂O

⑥　SO₄²^－を加えると沈殿する金属イオン　･･･　Ba²⁺, Ca²⁺,Pb²⁺

　⑦　CO₃²^－によって沈殿しない金属イオン　･･･　Na⁺,K⁺

⑧　H₂Sとの反応

　　沈殿しないイオン　･･･　K^＋,Na⁺,Mg²⁺,Al³⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, NH₄⁺

水溶液が中性・塩基性のとき沈殿するイオン　･･･　Fe²⁺,Zn²⁺（この他もあるがほとんど出ない）

水溶液が酸性でも（どんなときでも）沈殿するイオン　･･･　Pb²⁺, Cu²⁺, Ag⁺,

（この他はあまり出ない）

　⑨　CrO₄²^－によって沈殿するイオン　･･･　Ba²⁺　,Pb²⁺　,Ag⁺

図で覚える

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　☆　表と図好きな方で覚える

４）金属イオンの分離　　

金属イオンの沈殿反応を参考に考える。

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　HClを加える　→　Cl^-を加える

H₂Sを通じる　→　S^2-を加える

NaOHを加える　→　OH^-を加える

(NH₄)₂CO₃を加える　→　CO₃^2-を加える