遷移元素（鉄・銅・銀・クロム・マンガン）の性質

$Fe^{2 +}$ ・ $Fe^{3 +}$ の水酸化物の色、銅・銀の性質、 $Cr_{2} O_{7}^{2 -}$ ・ $CrO_{4}^{2 -}$ ・ $MnO_{4}^{-}$ の色と酸化剤としてのはたらき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））

この技能までの道筋（12 技能）

算数中学高校大学大学院

読み込み中…

右端（太枠）がこの技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る（前提が先）

原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
原子の構造と同位体（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
電子配置と価電子（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
周期表と周期律（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
実験器具の使い方と安全（中学理科化学分野の用語と知識）
気体の発生方法・性質・集め方（中学理科化学分野の用語と知識）
分解と化合（化学変化の種類）（中学理科化学分野の用語と知識）
酸化と還元（中学理科化学分野の用語と知識）
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 3〜12 族の遷移元素のうち、鉄 Fe・銅 Cu・銀 Ag・クロム Cr・マンガン Mn について、単体・イオン・化合物の色と性質を整理します。これができると、「 $Fe^{2 +}$ の水溶液に $NaOH$ を加えると赤褐色の沈殿ができる」「 $MnO_{4}^{-}$ は還元剤としてはたらく」のような記述の正誤を、酸化数と色の対応から判断できるようになります。

なぜそうしてよいのか

遷移元素は、同じ元素でも複数の酸化数をとりやすく、酸化数によってイオンや化合物の色が変わるのが特徴です。そこで、「元素 → 酸化数 → 色」の順に結びつけて覚えると混乱しません。鉄は $+ 2$ と $+ 3$ をとり、 $Fe^{2 +}$ の水溶液は淡緑色で、 $NaOH$ を加えると緑白色の水酸化鉄(II) $Fe(OH)_{2}$ が沈殿します。 $Fe^{3 +}$ の水溶液は黄褐色で、 $NaOH$ を加えると赤褐色の水酸化鉄(III) が沈殿します。 $Fe^{2 +}$ は空気中の酸素などで酸化されて $Fe^{3 +}$ になりやすい（還元剤としてはたらく）ことも重要です。

銅は赤みを帯びた金属で、電気・熱をよく通します。 $Cu^{2 +}$ の水溶液は青色で、 $NaOH$ を加えると青白色の $Cu(OH)_{2}$ が沈殿し、これを加熱すると黒色の $CuO$ になります。硫酸銅(II) 五水和物 $CuSO_{4} \cdot 5 H_{2} O$ は青色ですが、加熱して水和水を失うと白色の無水物になります。湿った空気中では緑青という緑色のさびを生じます。銀は金属の中で電気伝導性・熱伝導性が最も大きい白色の金属です。 $Ag^{+}$ に $NaOH$ を加えると褐色の酸化銀 $Ag_{2} O$ が沈殿し（水酸化物ではなく酸化物になる）、ハロゲン化銀（ $AgCl$ 白色など）は光で分解して銀を生じます。

クロムとマンガンは、大きな酸化数のときに強い酸化剤になります。クロム酸イオン $CrO_{4}^{2 -}$ （黄色）と二クロム酸イオン $Cr_{2} O_{7}^{2 -}$ （赤橙色）は、どちらも Cr の酸化数が $+ 6$ で、酸性にすると $2 CrO_{4}^{2 -} + 2 H^{+} ⇄ Cr_{2} O_{7}^{2 -} + H_{2} O$ の右向きに、塩基性にすると左向きに変わります。硫酸酸性の $Cr_{2} O_{7}^{2 -}$ は酸化剤としてはたらき、自身は緑色の $Cr^{3 +}$ に変わります。 $CrO_{4}^{2 -}$ は $Ag^{+}$ と赤褐色の $Ag_{2} CrO_{4}$ 、 $Pb^{2 +}$ と黄色の $PbCrO_{4}$ の沈殿をつくります。過マンガン酸イオン $MnO_{4}^{-}$ （Mn は $+ 7$ ）は赤紫色で、硫酸酸性では強い酸化剤としてはたらき、ほぼ無色の $Mn^{2 +}$ に変わります。酸化マンガン(IV) $MnO_{2}$ は黒色の固体で、過酸化水素の分解の触媒や、乾電池に使われます。

手順

記述がどの元素の、どの物質（単体・イオン・水酸化物・酸化物など）についてのものかを確かめる。
その物質中の金属の酸化数を求める（例: $Cr_{2} O_{7}^{2 -}$ の Cr は $+ 6$ 、 $MnO_{4}^{-}$ の Mn は $+ 7$ ）。
色の記述なら、酸化数ごとの色と照らし合わせる（ $Fe^{2 +}$ 淡緑・ $Fe(OH)_{2}$ 緑白、 $Fe^{3 +}$ 黄褐・水酸化鉄(III) 赤褐、 $Cu^{2 +}$ 青・ $Cu(OH)_{2}$ 青白、 $Ag_{2} O$ 褐、 $CrO_{4}^{2 -}$ 黄、 $Cr_{2} O_{7}^{2 -}$ 赤橙、 $Cr^{3 +}$ 緑、 $MnO_{4}^{-}$ 赤紫、 $Mn^{2 +}$ ほぼ無色）。
酸化剤・還元剤の記述なら、酸化数の大きい $Cr_{2} O_{7}^{2 -}$ ・ $MnO_{4}^{-}$ は酸化剤、 $Fe^{2 +}$ は還元剤になりやすいことを使い、反応後のイオンとその色を確かめる。
すべての選択肢を判定し、条件に合うものを選ぶ。

例題

遷移元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　硫酸鉄(II) $FeSO_{4}$ の水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加えると、赤褐色の沈殿が生じる。
イ　銀は、金属の中で電気伝導性が最も大きい。
ウ　クロム酸カリウム $K_{2} CrO_{4}$ の水溶液に硫酸を加えて酸性にすると、水溶液は赤紫色になる。
エ　硫酸酸性の過マンガン酸カリウム $KMnO_{4}$ 水溶液に還元剤を加えると、 $MnO_{4}^{-}$ は緑色の $Mn^{2 +}$ に変わる。

例題の解答

ア: 手順 1〜3 を使う。 $FeSO_{4}$ の Fe は $+ 2$ で、 $NaOH$ を加えると緑白色の $Fe(OH)_{2}$ が沈殿する。赤褐色は Fe が $+ 3$ のときなので誤り。
イ: 手順 1 より銀の単体の性質の記述。銀は金属の中で電気伝導性が最も大きい。正しい。
ウ: 手順 2・3 を使う。酸性にすると $2 CrO_{4}^{2 -} + 2 H^{+} \to Cr_{2} O_{7}^{2 -} + H_{2} O$ となり、黄色から赤橙色に変わる。赤紫色は $MnO_{4}^{-}$ の色なので誤り。
エ: 手順 4 を使う。 $MnO_{4}^{-}$ （Mn は $+ 7$ ）は酸化剤としてはたらき、ほぼ無色の $Mn^{2 +}$ になる。緑色は $Cr^{3 +}$ の色なので誤り。
よって正しいのはイ。

答え:

イ

よくある誤り

$Fe^{2 +}$ と $Fe^{3 +}$ の水酸化物の色を取り違え、 $Fe^{2 +}$ に $NaOH$ を加えると赤褐色の沈殿ができるとしてしまう誤り。正しくは $Fe^{2 +} + 2 OH^{-} \to Fe(OH)_{2}$ は緑白色で、赤褐色の沈殿ができるのは $Fe^{3 +}$ のとき。
$Ag^{+}$ に $NaOH$ を加えると水酸化銀 $AgOH$ が沈殿するとしてしまう誤り。正しくは $2 Ag^{+} + 2 OH^{-} \to Ag_{2} O + H_{2} O$ で、褐色の酸化銀が沈殿する。
$CrO_{4}^{2 -}$ が $Cr_{2} O_{7}^{2 -}$ に変わるのを酸化還元反応としてしまう誤り。正しくは、どちらも Cr の酸化数は $+ 6$ で変わらず、 $2 CrO_{4}^{2 -} + 2 H^{+} ⇄ Cr_{2} O_{7}^{2 -} + H_{2} O$ は酸・塩基によって移り変わる反応である。
酸化剤としてはたらいた $Cr_{2} O_{7}^{2 -}$ と $MnO_{4}^{-}$ の変化後の色を取り違える誤り。正しくは $Cr_{2} O_{7}^{2 -}$ （赤橙） $\to Cr^{3 +}$ （緑）、 $MnO_{4}^{-}$ （赤紫） $\to Mn^{2 +}$ （ほぼ無色）である。

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）
遷移元素のイオンや化合物の色について述べた文として誤っているものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
- ア　 $F e^{2 +}$ を含む水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加えると、緑白色の沈殿が生じる。
- イ　 $F e^{3 +}$ を含む水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加えると、赤褐色の沈殿が生じる。
- ウ　過マンガン酸イオン $Mn O_{4}^{-}$ を含む水溶液は、青色を示す。
- エ　二クロム酸イオン $C r_{2} O_{7}^{2 -}$ を含む水溶液は、赤橙色を示す。

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

錯イオン（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））