ハロゲンと貴ガス

ハロゲン単体（ $F_{2}$ ・ $Cl_{2}$ ・ $Br_{2}$ ・ $I_{2}$ ）の状態・色・酸化力の強さと水との反応、ハロゲン化水素・ハロゲン化銀の性質、貴ガスの性質と用途についての記述の正誤を判定できる

前提

周期表と周期律（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
酸化剤と還元剤（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

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周期表と周期律（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
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イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）
酸化・還元の定義（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
酸化数と酸化・還元の判定（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
酸化剤と還元剤（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

説明

周期表の 17 族のハロゲン（ $F$ ・ $Cl$ ・ $Br$ ・ $I$ ）と 18 族の貴ガス（ $He$ ・ $Ne$ ・ $Ar$ など）について、単体や化合物の性質を整理します。これができると、「 $Br_{2}$ は常温で固体である」「 $Cl_{2}$ は $I_{2}$ より酸化力が弱い」のような記述の正誤を、丸暗記ではなく周期表上の位置と傾向から判断できるようになります。選択式の正誤問題でよく問われる内容です。

なぜそうしてよいのか

ハロゲン原子は価電子を 7 個もち、電子を 1 個受け取って貴ガスと同じ電子配置の 1 価の陰イオンになりやすい元素です。つまり単体は相手から電子を奪う、すなわち酸化剤としてはたらきます。原子番号が小さいほど原子が小さく、原子核が電子を引きつけやすいので、酸化力は $F_{2} > Cl_{2} > Br_{2} > I_{2}$ の順に強くなります。このため、酸化力の強いハロゲン単体は、より弱いハロゲンの陰イオンから電子を奪えます（例: $Cl_{2} + 2 KBr \to 2 KCl + Br_{2}$ ）が、逆向きの反応は起こりません。

単体はどれも二原子分子で、分子が大きいほど分子どうしの引き合いが強くなるので、原子番号が大きいほど融点・沸点が高くなります。常温で $F_{2}$ （淡黄色）と $Cl_{2}$ （黄緑色）は気体、 $Br_{2}$ （赤褐色）は液体、 $I_{2}$ （黒紫色）は固体です。水との反応も酸化力の順で、 $F_{2}$ は水を激しく酸化して酸素を発生し（ $2 F_{2} + 2 H_{2} O \to 4 HF + O_{2}$ ）、 $Cl_{2}$ は水に少し溶けて一部が反応し $HCl$ と次亜塩素酸 $HClO$ を生じます（ $HClO$ の酸化作用で殺菌・漂白に使われる）。 $I_{2}$ は水にほとんど溶けませんが、 $KI$ 水溶液には溶けて褐色になり、デンプンに触れると青紫色を示します。

化合物では例外に注意します。ハロゲン化水素の水溶液は $HCl$ ・ $HBr$ ・ $HI$ が強酸ですが、フッ化水素酸は弱酸で、ガラス（二酸化ケイ素）を溶かすのでポリエチレン容器に保存します。 $HF$ は分子間に水素結合をつくるので、ハロゲン化水素の中で沸点が最も高くなります。ハロゲン化銀は $AgCl$ （白）・ $AgBr$ （淡黄）・ $AgI$ （黄）が水に溶けにくい沈殿ですが、 $AgF$ は水に溶けます。また $AgCl$ や $AgBr$ は光で分解して銀を生じる（感光性）ので、写真に利用されてきました。貴ガスは価電子が 0 とみなされるほど電子配置が安定なので、ほとんど化合物をつくらず単原子分子として空気中にわずかに存在します。 $He$ は軽くて燃えないので気球に、 $Ne$ はネオンサインに、 $Ar$ （空気中で最も多い貴ガス）は電球の封入ガスなどに使われます。

手順

記述がどの物質（ハロゲン単体・ハロゲン化水素・ハロゲン化銀・貴ガス）についてのものかを確かめる。
単体の状態・色・融点・沸点についての記述なら、原子番号が大きいほど融点・沸点が高い傾向と、気体（ $F_{2}$ , $Cl_{2}$ ）・液体（ $Br_{2}$ ）・固体（ $I_{2}$ ）の区別と照らし合わせる。
酸化力や反応が起こるかについての記述なら、 $F_{2} > Cl_{2} > Br_{2} > I_{2}$ の順を使い、強いハロゲン単体が弱いハロゲンの陰イオンを酸化する向きだけ反応が起こるか確かめる。
化合物についての記述なら、フッ素の例外（フッ化水素酸は弱酸・ガラスを溶かす・ $HF$ の沸点が最も高い・ $AgF$ は水に溶ける）に当たらないかを確かめる。
貴ガスについての記述なら、安定で化合物をつくりにくい単原子分子であることと、用途（ $He$ : 気球, $Ne$ : ネオンサイン, $Ar$ : 電球）に照らして判断する。

例題

ハロゲン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　臭素 $Br_{2}$ は、常温・常圧で黒紫色の固体である。
イ　臭化カリウム $KBr$ 水溶液に塩素 $Cl_{2}$ を通じると、臭素 $Br_{2}$ が生じる。
ウ　フッ化水素の水溶液（フッ化水素酸）は、塩酸と同じく強酸である。
エ　フッ化銀 $AgF$ は、水に溶けにくい淡黄色の沈殿である。

例題の解答

ア: 状態・色の記述なので手順 2 を使う。 $Br_{2}$ は常温で赤褐色の液体であり、黒紫色の固体は $I_{2}$ なので誤り。
イ: 反応が起こるかの記述なので手順 3 を使う。酸化力は $Cl_{2} > Br_{2}$ なので、 $Cl_{2}$ が $Br^{-}$ から電子を奪い、 $Cl_{2} + 2 KBr \to 2 KCl + Br_{2}$ が起こる。正しい。
ウ: 化合物の記述なので手順 4 を使う。フッ化水素酸は弱酸なので誤り。
エ: 手順 4 より、ハロゲン化銀のうち $AgF$ は水に溶けるので誤り（淡黄色の沈殿は $AgBr$ ）。
よって正しいのはイ。

答え:

イ

よくある誤り

酸化力の順を逆に覚え、 $I_{2} + 2 KCl \to 2 KI + Cl_{2}$ が起こるとしてしまう誤り。正しくは酸化力は $F_{2} > Cl_{2} > Br_{2} > I_{2}$ で、起こるのは $Cl_{2} + 2 KI \to 2 KCl + I_{2}$ の向きだけ。
ハロゲン化水素の水溶液をすべて強酸としてしまう誤り。正しくは $HCl$ ・ $HBr$ ・ $HI$ は強酸だが、 $HF$ の水溶液（フッ化水素酸）は弱酸である。
ハロゲン化水素の沸点が分子量の順に $HF$ で最も低いとしてしまう誤り。正しくは $HF$ は分子間で水素結合をつくるので、沸点は $HF$ が最も高い。
ハロゲン化銀がすべて水に溶けにくい沈殿だとしてしまう誤り。正しくは $AgCl$ （白）・ $AgBr$ （淡黄）・ $AgI$ （黄）は沈殿するが、 $AgF$ は水に溶ける。

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）
周期表の 17 族元素（ハロゲン）の単体のうち、常温・常圧で赤褐色の液体であり、揮発しやすく、刺激臭のある有毒な蒸気を出す物質を何というか。物質名を漢字で答えよ。

この技能を使う問題

	a	b
ア	臭素	フッ化水素酸
イ	臭素	塩酸
ウ	ヨウ素	フッ化水素酸
エ	塩素	塩酸
オ	ヨウ素	塩酸

	a	b
ア	水酸化ナトリウム水溶液	濃硫酸
イ	水	ソーダ石灰
ウ	濃硫酸	水
エ	水	濃硫酸
オ	水酸化ナトリウム水溶液	ソーダ石灰
カ	濃硫酸	ソーダ石灰

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））