窒素・リンとその化合物

$NH_{3}$ 、 $NO$ ・ $NO_{2}$ 、硝酸（酸化力・光で分解）、黄リン・赤リン（自然発火・保存法）、十酸化四リンの性質についての記述の正誤を判定できる

前提

酸化力のある酸と不動態（高校化学酸化還元と電池・電気分解（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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酸化力のある酸と不動態（高校化学酸化還元と電池・電気分解（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））

説明

15 族の窒素とリンの単体・化合物（アンモニア $NH_{3}$ 、一酸化窒素 $NO$ ・二酸化窒素 $NO_{2}$ 、硝酸 $HNO_{3}$ 、黄リン・赤リン、十酸化四リン $P_{4} O_{10}$ ）の性質を整理します。これができると、「 $NO$ は赤褐色の気体である」「黄リンは空気中で保存する」のような記述の正誤を、物質の特徴とその理由から判断できるようになります。

なぜそうしてよいのか

窒素の化合物は、N の酸化数が $- 3$ （ $NH_{3}$ ）から $+ 5$ （ $HNO_{3}$ ）まで幅広く変わります。アンモニア $NH_{3}$ は無色・刺激臭の気体で、水に非常によく溶け、水溶液は弱塩基性を示します（ $NH_{3} + H_{2} O ⇄ NH_{4}^{+} + OH^{-}$ ）。水に溶けやすく空気より軽いので上方置換で集め、濃塩酸を近づけると $NH_{4} Cl$ の白煙を生じます。一酸化窒素 $NO$ は無色で水に溶けにくい気体ですが、空気中の酸素とすぐ反応して赤褐色の $NO_{2}$ になります（ $2 NO + O_{2} \to 2 NO_{2}$ ）。そのため $NO$ は水上置換で集めます。 $NO_{2}$ は赤褐色・刺激臭の有毒な気体で、水に溶けて硝酸を生じるので下方置換で集めます。

硝酸 $HNO_{3}$ の N は最高の酸化数 $+ 5$ なので、電子を受け取る向き、すなわち酸化剤としてはたらきます。水素よりイオン化傾向の小さい銅や銀も溶かし、希硝酸では $NO$ 、濃硝酸では $NO_{2}$ が発生します。また、硝酸は光や熱で分解しやすい（ $4 HNO_{3} \to 4 NO_{2} + O_{2} + 2 H_{2} O$ ）ので、褐色のびんに入れて冷暗所に保存します。揮発性の強酸でもあります。

リンの単体には同素体として黄リンと赤リンがあります。黄リン（ $P_{4}$ 分子）は淡黄色のろう状の固体で、反応性が高く空気中で自然発火するので水中に保存します。毒性も強いです。赤リンは赤褐色の粉末で、空気中で自然発火せず毒性も小さく、マッチ箱の側薬に使われます。リンが燃えると白色粉末の十酸化四リン $P_{4} O_{10}$ ができます。 $P_{4} O_{10}$ は水を強く吸収する（吸湿性・脱水作用が強い）ので乾燥剤に使われ、水と加熱するとリン酸 $H_{3} PO_{4}$ になります。酸性の乾燥剤なので、塩基性のアンモニアの乾燥には使えません。

手順

記述がどの物質（ $NH_{3}$ ・ $NO$ ・ $NO_{2}$ ・硝酸・黄リン・赤リン・ $P_{4} O_{10}$ ）についてのものかを確かめる。
気体の色・水への溶けやすさ・集め方の記述なら、 $NH_{3}$ （無色・水によく溶ける・上方置換）、 $NO$ （無色・水に溶けにくい・水上置換・空気中で $NO_{2}$ になる）、 $NO_{2}$ （赤褐色・水に溶ける・下方置換）と照らし合わせる。
硝酸の記述なら、酸化剤としてはたらくこと（希硝酸で $NO$ 、濃硝酸で $NO_{2}$ が発生）と、光で分解するので褐色びんに保存することを確かめる。
リンの記述なら、黄リン（自然発火・猛毒・水中に保存）と赤リン（自然発火しない・毒性が小さい・マッチの側薬）を区別し、 $P_{4} O_{10}$ は吸湿性の強い酸性の乾燥剤であることと照らし合わせる。
すべての選択肢を判定し、条件に合うものを選ぶ。

例題

窒素・リン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　黄リンは空気中で安定なので、空気中で保存する。
イ　一酸化窒素 $NO$ は赤褐色の気体で、水によく溶ける。
ウ　濃硝酸は光によって分解しやすいので、褐色のびんに入れて保存する。
エ　アンモニアは水に溶けにくいので、水上置換で集める。

例題の解答

ア: リンの記述なので手順 4 を使う。黄リンは空気中で自然発火するので水中に保存する。誤り。
イ: 気体の記述なので手順 2 を使う。 $NO$ は無色で水に溶けにくい。赤褐色で水に溶けるのは $NO_{2}$ なので誤り。
ウ: 硝酸の記述なので手順 3 を使う。硝酸は光で $4 HNO_{3} \to 4 NO_{2} + O_{2} + 2 H_{2} O$ と分解しやすいので、褐色びんに保存する。正しい。
エ: 手順 2 より、 $NH_{3}$ は水に非常によく溶け空気より軽いので上方置換で集める。誤り。
よって正しいのはウ。

答え:

ウ

よくある誤り

$NO$ と $NO_{2}$ の性質を取り違え、 $NO$ を赤褐色としてしまう誤り。正しくは $NO$ は無色で、空気に触れると $2 NO + O_{2} \to 2 NO_{2}$ で赤褐色の $NO_{2}$ に変わる。
黄リンと赤リンの性質を取り違え、赤リンを水中に保存するとしてしまう誤り。正しくは、空気中で自然発火するので水中に保存するのは黄リンで、赤リンは空気中で自然発火しない。
$P_{4} O_{10}$ はどんな気体の乾燥にも使えるとしてしまう誤り。正しくは $P_{4} O_{10}$ は酸性の乾燥剤なので、塩基性の $NH_{3}$ とは反応してしまい、 $NH_{3}$ の乾燥には使えない。
硝酸は強酸なので銅と反応して水素を発生するとしてしまう誤り。正しくは、硝酸は酸化力によって銅を溶かし、希硝酸では $3 Cu + 8 HNO_{3} \to 3 Cu(NO_{3})_{2} + 2 NO + 4 H_{2} O$ のように $NO$ が発生する（濃硝酸では $NO_{2}$ ）。

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）
窒素・リンとその化合物についての記述として正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。
- ア　黄リンは空気中で自然発火するので、水中に保存する。
- イ　一酸化窒素は無色の気体で、水によく溶ける。
- ウ　濃硝酸は光や熱で分解しやすいので、褐色のびんに入れて冷暗所に保存する。
- エ　アンモニアは無色で刺激臭のある気体で、その水溶液は弱酸性を示す。
- オ　十酸化四リンは吸湿性が強く、乾燥剤として用いられる。

この技能を使う問題

	a	b
ア	下方置換	ソーダ石灰
イ	上方置換	ソーダ石灰
ウ	上方置換	濃硫酸
エ	水上置換	塩化カルシウム
オ	上方置換	塩化カルシウム

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））
無機物質の工業的製法（高校化学無機物質（知識））