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2015年10月10日 震災から復旧 米沢高等工業学校本館

【ナレッジ】 14族元素、13族元素

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説明
14族元素

 単体構造性質
     炭素 ダイヤモンド(sp3混成sp2混成フラーレンなどダイヤモンド非金属類金属
      ケイ ダイヤモンド構造同じ構造の同素体はない 半導体
      ゲルマニウム ダイヤモンド構造 半導体
      スズ 同素体あり構造複雑金属
       金属 周期表下の周期ほど金属の性質が強まる
   金属何か  電気的意味構造的意味化学的意味とも若干ニュアンス異なる
     性質電気良く通す高温ほどわずかに電気抵抗が増える
     構造価電子数よりも結合相手の数が多い構造  詳細は無機固体化学鵜沼
     元素性質電気陰性度比較的低く正の酸化数取りやすい
   半導体何か  純粋に電気的性質表す言葉
     電気通すが金属ほどは通さないほとんど通さないものもある般に高温ほど電気抵抗が下がる
      詳細は無機固体化学鵜沼

       なぜケイ素には黒同じ構造の同素体がないのか理由考察せよヒント多重結合に関す
16族元素の項照)
       ダイヤモンドおけるC-C結合距離は154pmであるのに対しグラファイト中のそれは142pmで
あるその理由説明せよ1996東大院理ヒントグラファイト中のC-C結合は平均して何
重結合であると考えるべきか)

 水素化合物
     CH4メタンSiH4シラン…以下GeH4ゲルマンSnH4スタンナンPbH4プランバン
      これらは電気陰性度が高くないので-4酸化数嫌うそのため容易に酸化しやすいSiH4GeH4
エレクトロニクス部品ファイバー製造過程で使用される(常温で液体であり蒸留より高純度
化しやすいので)
        CH4NH3H2O中のH-C-H, H-N-H, H-O-H結合角はそれぞれ109.47107.2104.5°で
ある角度このように小さくなるのはなぜか考察せよ
        CH4SiH4GeH4SnH4融点沸点順序推定根拠とともに述べよまた実際にそれら
調べよ
     炭素カートネーションするので無数の炭化水素があるポリシランポリゲルマンSi6H14Ge3H8まで
しかない  結合強さがC-C > Si-Si > Ge-Geの順だから下の周期ほど結合は弱い

 ハロゲン化物
     Si以下のハロゲン化物はすべて水に対して不安定で加水分解する
       SiCl4 + 2H2O SiO2 + 4HCl
        電気陰性度高いハロゲンよってSiは電子剥ぎ取られた状態正電荷が高い状態なり
易にH2OのOから攻撃受ける
     炭素塩化ッ化物はフロン(CFxCly)よばれ化学的に安定だが紫外線で分解オゾン層破壊する
      (i) CFxCly + Cl + CFxCly-1 (ii) Cl + O3 ClO + O2 (iii) ClO + O3 Cl + 2O2 …連鎖反応
     テトラフロロエチレン重合体ポリテトラフロロエチレンPTFEフロン耐熱性耐薬品性に優れる
     SnやPbはSnCl2PbCl2などの低酸化数のハロゲン化物も作る
       SnやPbが低酸化数のハロゲン化物作る理由述べよ

 酸化物オキソ
  炭素酸化物
     CO   =C=O ように結合の手が余るので化学的に活性であるかのように思ってしまうが
もほとんど溶けず極性もわずかで比較的反応性に乏しいブレンステッド酸塩基ない

     Cの電子構造 Oの電子構造

     電気陰性度高いOからCへ逆方向に電子貸すとどちらも
      いう電子構造になりN2同じ3重結合ができるようになる(強い3重結合作るために旦無理して
      O→Cに電子貸すと考えればよい)すると  C-≡O いう若干極性帯びた2原子分子なる
      結合電子対電気陰性度高いOの方に引き寄せられるので結局ほとんど無極性になる
       むしろ分子軌道考え方の方が理解しやすい基本無機化学p.44分子軌道構築の仕方は複
雑で現時点では理解する必要はない
  COはCにもOにも孤立電子対があるこのためルイス塩基して振舞うことが多い

     CO2
CO2中のCはsp混成軌道作っている電子状態これまでの例例えば硫酸イオンならって推定せよ

       CO2 + H2O H2CO3 H + HCO3 2H + CO32
       CO2水に溶けてブレンステッド酸して振舞うので酸性酸化物呼ばれる
      これまでの授業に出てきた酸性酸化物つ取り上げブレンステッド酸して振舞う化学反応式
書け
      CO32イオン中のCはsp2混成軌道作っているその電子状態類推せよ

  ケイ素の酸化物とオキソ
     ケイ  H4SiO4いう分子は希薄溶液などの特殊な条件でしか存在せずつねに縮合酸として存
在する組成SiO2nH2Onは2以下の定まらない数考えるべき酸化ケイ素のブレン
ステ酸としての強度は非常に弱いがアルカリ作る下式酸性酸化物して分
類される
    SiO2 + NaOH + 2H2O→ NaH3SiO4 + H2O など
        ケイ酸塩p.89以降多くの鉱物構成する主要成分縮合酸縮合しかたによって多種のケイ
酸に分類されるまた粘土鉱物主成分なのでオールドセラミクスいわゆる陶磁器も使われ
ケイ酸塩の化学は複雑であるうえ工業的にはセメント工業以外にはあまり関係がないので
講義範囲外とするちなみに無機固体化学でもケイ酸塩は扱わない

  スズ酸化物両性酸化物
     酸とも塩基とも反応して両方の水溶液に溶ける酸化物両性酸化物いう
      (塩基性酸化物の代表NaOH
        1)金属性質強い元素の酸化物ほど塩基性酸化物になりやすい
       SnO2 + 4HCl Sn4+ + 4Cl- + 2H2O
        SnO2 + 2NaOH   2Na + SnO32  
      両性酸化物作る元素アルミニウム(Al),亜鉛(Zn),スズ(Sn), (Pb)など 金属非金属境目に存在する元素が両性酸化物作るまたCrO3酸性Cr2O3両性CrO塩基性などのように酸化状態も異なり般に高い
酸化状態酸化物酸性ある

 炭化物ケイ化物
 ファインセラミクスして工業的に重要なものが多いここ下記の項目暗記する必要はなく印象
どめておく程度でよい融点高く非常に硬いものが多い
炭化珪素(SiC)   高強度高耐熱性の半導体研磨剤セラミクエンジン部材など
炭化タングステン(WC)   超硬合金かつてのスパイクタイヤピン切削工具など
ケイ化鉄(FeSi2)  熱電材料廃熱から電気エネルギー回収する材料など
ケイモリブデン(MoSi2)  高耐熱性導電体炉の発熱体など
13族元素

 単体構造性質
     ホウ素 B1220面体単位する固体非金属天然単体産出しない
      アルミニウム以下金属

 水素ハロゲン酸素化合物 
 13族元素は価電子個しかないのでいわゆるオクテ形成きないことが多い
  2)

     B2H6 ジボラン オクテない化学結合の例として
         個のHが個のBと結合している 3)中心電子結合

     BとAlのハロゲン化物 ルイス酸の典型として
         F3N + BF3 F3N-BF3 ルイス塩基反応例によく出されるどちらが酸か?
      4)有機合成フリーデルクラフツ反応ベンゼン環へのアルキル基の置換おけるルイス酸触媒

     ホウ 水酸化物オキソ酸の境界にある化合物慣例的にオキソ酸的な名前がついている
       H3BO3 + H2O  H + [B(OH)4]   1価のブレンステッド酸して振舞う
       多価アルコールなどが共存すると酸としての性質が強まる

 ホウ化物
      ホウマグネシウムMgB2 2001年に日本人が発見した超伝導体金属ように加工ができるので実用
化への期待が高まっている臨界温度40K
      ホウランタンLaB6 電子線放射機能電子顕微鏡フィラメントして


演習問題
ダイヤモンドエチレンベンゼンおけるC-C結合距離はそれぞれ154pm135pm140pmであるというグラフ
ァイト中のC-C結合距離は142pmであるグラファイト中のC-C結合距離がこのような長さになる理由説明

CO2SiO2構造異なる理由説明せよ
ジボランB-H結合には119.2pmと1329pmの種類あるこのような違いが生ずる理由述べよ(1996東大院
理)
金属アルミニウム水酸化ナトリウム化学反応式書け
ホウ素アルミニウムハロゲン化物が強いルイス酸として振舞う理由述べよ
金属アルミニウム塩酸溶けるが硝酸には溶けないその理由述べよ
一酸化炭素金属イオン配位して錯体作りやすいその理由述べよ
アルミニウム+3価のイオンなりやすいのに対しタリウムTl+1価のイオンなりやすいその理由
べよ
ホウH3BO3結晶p.82あるような次元構造なぜそのような次元構造るのかホウ素
電子状態推定して説明せよ


宿題

授業範囲上の演習問題すべて解答せよ