炭素・ケイ素とその化合物

炭素の同素体、 $CO$ ・ $CO_{2}$ の性質、ケイ素・二酸化ケイ素・水ガラス・シリカゲルの製法と性質についての記述の正誤を判定し、用語を答えられる

前提

純物質と混合物・単体と化合物・同素体（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
結晶の種類と性質（高校化学物質の構成と化学結合（知識））

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原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
純物質と混合物・単体と化合物・同素体（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
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分子間力と沸点（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
結晶の種類と性質（高校化学物質の構成と化学結合（知識））

説明

14 族の炭素とケイ素について、単体（炭素の同素体・ケイ素）と化合物（一酸化炭素 $CO$ ・二酸化炭素 $CO_{2}$ ・二酸化ケイ素 $SiO_{2}$ ・水ガラス・シリカゲル）の性質と製法を整理します。これができると、「黒鉛は電気を通さない」「 $CO$ は石灰水を白濁させる」のような記述の正誤を判定したり、「ケイ酸を加熱して得られる乾燥剤」のような説明から物質の名前を答えたりできるようになります。

なぜそうしてよいのか

炭素とケイ素はどちらも価電子を 4 個もち、ほかの原子と 4 本の共有結合をつくります。炭素の同素体の性質の違いは、原子のつながり方の違いで説明できます。ダイヤモンドは各 C 原子が 4 個の C 原子と共有結合して立体的な網目をつくる共有結合の結晶で、非常に硬く電気を通しません。黒鉛は各 C 原子が 3 個の C 原子と結合して平面の層をつくり、残りの 1 個の価電子が層の中を動けるので電気をよく通します。層どうしは弱い分子間力で重なっているだけなので、はがれやすくやわらかいです。ほかに、 $C_{60}$ などの球状の分子であるフラーレンや、筒状のカーボンナノチューブも炭素の同素体です。

炭素の酸化物のうち、 $CO$ は炭素が酸素不足の状態で燃えるとできる無色・無臭の有毒な気体で、水に溶けにくく、空気中で青白い炎をあげて燃えて $CO_{2}$ になります。還元性が強く、製鉄で鉄の酸化物を還元するのに使われます。 $CO_{2}$ は無色・無臭の気体で、水に少し溶けて弱い酸性を示し、石灰水 $Ca(OH)_{2}$ に通すと $CaCO_{3}$ ができて白濁します。固体はドライアイスで、昇華しやすい分子結晶です。

ケイ素の単体は天然には存在せず、二酸化ケイ素を電気炉中で炭素で還元してつくります（ $SiO_{2} + 2 C \to Si + 2 CO$ ）。ダイヤモンドと同じ形の共有結合の結晶で、金属と絶縁体の中間の電気伝導性をもつ半導体として、集積回路や太陽電池に使われます。二酸化ケイ素 $SiO_{2}$ は石英・水晶・ケイ砂の主成分で、Si と O が交互に共有結合した網目をつくる共有結合の結晶なので、硬く融点が高いです。 $SiO_{2}$ を水酸化ナトリウム（または炭酸ナトリウム）と高温で反応させるとケイ酸ナトリウム $Na_{2} SiO_{3}$ ができ、これに水を加えて加熱すると粘りけのある液体の水ガラスになります。水ガラスに塩酸を加えると白いゲル状のケイ酸が沈殿し、これを加熱して脱水すると、表面に細かい穴が無数にあって水などをよく吸着するシリカゲルが得られ、乾燥剤に使われます。

手順

記述がどの物質（炭素の同素体・ $CO$ ・ $CO_{2}$ ・ケイ素・ $SiO_{2}$ ・水ガラス・ケイ酸・シリカゲル）についてのものかを確かめる。
同素体やケイ素・ $SiO_{2}$ の硬さ・融点・電気伝導性の記述なら、結晶の種類（ダイヤモンド・Si・ $SiO_{2}$ は共有結合の結晶、黒鉛は層状で電気を通す、ドライアイスは分子結晶）から判断する。
$CO$ ・ $CO_{2}$ の記述なら、 $CO$ （有毒・水に溶けにくい・燃える・還元剤）と $CO_{2}$ （水に少し溶けて弱酸性・石灰水を白濁・ドライアイス）を区別する。
ケイ素の化合物の製法の記述なら、 $SiO_{2} \to$ ケイ酸ナトリウム $\to$ 水ガラス $\to$ ケイ酸 $\to$ シリカゲルの流れと、それぞれの段階で加えるもの（ $NaOH$ 、水と加熱、塩酸、加熱して脱水）が合っているか確かめる。
すべての選択肢を判定し、条件に合うものを選ぶ（用語を答える問題なら、記述にあてはまる物質の名前を答える）。

例題

炭素・ケイ素とその化合物に関する記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　黒鉛は、ダイヤモンドと同じく電気を通さない。
イ　一酸化炭素 $CO$ は水によく溶け、石灰水に通すと白濁させる。
ウ　二酸化ケイ素 $SiO_{2}$ は分子結晶であり、融点が低い。
エ　ケイ酸を加熱して脱水するとシリカゲルが得られ、乾燥剤として用いられる。

例題の解答

ア: 同素体の記述なので手順 2 を使う。黒鉛は層の中を動ける価電子をもつので電気をよく通す。誤り。
イ: 炭素の酸化物の記述なので手順 3 を使う。 $CO$ は水に溶けにくく、石灰水を白濁させるのは $CO_{2}$ である。誤り。
ウ: 手順 2 より、 $SiO_{2}$ は Si と O が共有結合でつながった共有結合の結晶で、融点は高い。誤り。
エ: 製法の記述なので手順 4 を使う。水ガラスに塩酸を加えて得たケイ酸を加熱・脱水するとシリカゲルになり、多くの細かい穴で水を吸着するので乾燥剤に使われる。正しい。
よって正しいのはエ。

答え:

エ

よくある誤り

黒鉛もダイヤモンドと同じく共有結合の結晶なので電気を通さないとしてしまう誤り。正しくは、黒鉛は C 原子が 3 個の C 原子と結合した層状の構造で、残りの価電子が動けるため電気を通す。
$CO$ と $CO_{2}$ を取り違え、 $CO$ で石灰水が白濁するとしてしまう誤り。正しくは白濁するのは $CO_{2}$ で、 $Ca(OH)_{2} + CO_{2} \to CaCO_{3} + H_{2} O$ により $CaCO_{3}$ が沈殿する。
$SiO_{2}$ を $CO_{2}$ と同じく分子からなる物質としてしまう誤り。正しくは $CO_{2}$ は分子結晶（ドライアイス）だが、 $SiO_{2}$ は Si と O が網目状に共有結合した共有結合の結晶で、硬く融点が高い。
水ガラスを加熱・脱水するとシリカゲルになるとしてしまう誤り。正しくは、水ガラスに塩酸を加えてケイ酸（ $Na_{2} SiO_{3} + 2 HCl \to H_{2} SiO_{3} + 2 NaCl$ ）とし、そのケイ酸を加熱・脱水してシリカゲルを得る。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
二酸化ケイ素 $Si O_{2}$ を水酸化ナトリウム $NaOH$ とともに加熱して融解すると、ケイ酸ナトリウム $N a_{2} Si O_{3}$ が得られる。このケイ酸ナトリウムに水を加えて加熱すると、無色透明で粘性の大きい液体が得られる。この液体を何というか。

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

気体の製法・捕集方法・乾燥剤（高校化学無機物質（知識））
セラミックス・ガラス・合金（高校化学無機物質（知識））