気体の製法（反応式・原理・注意事項など）

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『気体の製法（反応式・原理・注意事項など）』について解説しています。

中性気体の製法

• 代表的な中性気体の製法を紹介する。

一酸化炭素CO

【脱水】ギ酸HCOOHに濃硫酸を加えて加熱する

\[ \mathrm{HCOOH → CO↑ ＋ H_{2}O} \]

• 濃硫酸は脱水作用があるためギ酸HCOOHから水H₂Oが引き抜かれる。

一酸化窒素NO

【酸化還元】 イオン化傾向がH₂よりも小さい金属（銅Cuや銀Agなど）を希硝酸HNO₃で酸化する

\[ \begin{align}&\mathrm{3Cu ＋ 8HNO_{3} → 3Cu(NO_{3})_{2} ＋ 2NO↑ ＋ 4H_{2}O}\\
&\mathrm{3Ag ＋ 4HNO_{3} → 3AgNO_{3} ＋ NO↑ ＋ 2H_{2}O}\end{align} \]

• 銅や銀は金属元素の単体なので還元剤、希硝酸は代表的な酸化剤である。したがって酸化還元反応が起こる。

水素H₂

【酸化還元】イオン化傾向がH₂より大きな金属（亜鉛Znなど）を希硫酸H₂SO₄や塩酸HClと反応させる。

\[ \mathrm{Zn ＋ H_{2}SO_{4} → ZnSO_{4} ＋ H_{2}↑} \]

• イオン化傾向がH₂より大きな金属と希酸を反応させるとH₂が発生する。
• イオン化傾向について詳しくは次のページを参照のこと。

参考：イオン化傾向（覚え方・定義・金属板の反応のしやすさ）

酸素O₂

過酸化水素H₂O₂や塩素酸カリウムKClO₃などの酸化物を分解する。（触媒として酸化マンガンMnO₂を用いる）

\[ \begin{align}&\mathrm{2H_{2}O_{2} → O_{2}↑ ＋ 2H_{2}O}\\
&\mathrm{2KClO_{3} → 3O_{2}↑ ＋ 2KCl} \end{align}\]

• これらの反応は自己酸化還元反応の一種である。
• どちらの反応も触媒として酸化マンガン(Ⅳ)が必要である。
• 試薬が固体だけの場合は加熱しないと反応が進みにくいため、KClO₃を用いる場合は加熱が必要である。

オゾンO₃

酸素O₂の無声放電または紫外線照射で得られる。

\[ \mathrm{3O_{2} ⇄ 2O_{3}} \]

• 無声放電とは音を発しない放電の総称である。

窒素N₂

亜硝酸アンモニウムNH₄NO₂を熱分解する。

\[ \mathrm{NH_{4}NO_{2} → N_{2}↑ ＋2H_{2}O} \]

酸性気体の製法

• 代表的な酸性気体の製法を紹介する。

二酸化炭素CO₂

【弱酸遊離】炭酸イオンCO₃^2ーを含む塩（炭酸カルシウムCaCO₃など）に強酸を加える。

\[ \mathrm{CaCO_{3} ＋ 2HCl → CaCl_{2} ＋ CO_{2}↑ ＋ H_{2}O} \]

参考：【弱酸・弱塩基遊離反応】原理や公式、反応式の作り方など

二酸化窒素NO₂

【酸化還元】イオン化傾向がH₂よりも小さい金属（銅Cuや銀Agなど）を濃硝酸HNO₃で酸化する。

\[ \begin{align}&\mathrm{Cu ＋ 4HNO_{3} → Cu(NO_{3})_{2} ＋ 2NO_{2}↑ ＋ 2H_{2}O}\\
&\mathrm{Ag ＋ 2HNO_{3} → AgNO_{3} ＋ NO_{2}↑ ＋ H_{2}O}\end{align} \]

二酸化硫黄SO₂

方法① 酸化還元

イオン化傾向がH₂よりも小さい金属（銅Cuや銀Agなど）を熱濃硫酸H₂SO₄で酸化する。

\[ \begin{align}&\mathrm{Cu ＋ 2H_{2}SO_{4} → CuSO_{4} ＋ SO_{2}↑ ＋ 2H_{2}O}\\
&\mathrm{2Ag ＋ 2H_{2}SO_{4} → Ag_{2}SO_{4} ＋ SO_{2}↑ ＋ 2H_{2}O}\end{align} \]

方法② 弱酸遊離

亜硫酸イオンSO₃^2ーを含む塩に強酸を加える。

\[ \mathrm{Na_{2}SO_{3} ＋ H_{2}SO_{4} → Na_{2}SO_{4} ＋ SO_{2}↑ ＋ H_{2}O} \]

参考：【弱酸・弱塩基遊離反応】原理や公式、反応式の作り方など

硫化水素H₂S

【弱酸遊離】硫化物イオンS^2ーを含む塩に強酸を加える。

\[ \begin{align}&\mathrm{FeS ＋ 2HCl → FeCl_{2} ＋ H_{2}S↑}\\
&\mathrm{FeS ＋ H_{2}SO_{4} → FeSO_{4} ＋ H_{2}S↑} \end{align}\]

参考：【弱酸・弱塩基遊離反応】原理や公式、反応式の作り方など

塩素Cl₂

方法① 酸化還元

酸化マンガンMnO₂に濃塩酸HClを加えて加熱する。

\[ \mathrm{MnO_{2} ＋ 4HCl → MnCl_{2} ＋ Cl_{2}↑ ＋ 2H_{2}O} \]

方法② 弱酸遊離

さらし粉CaCl(ClO)・H₂Oに希塩酸HClを加える。

\[ \mathrm{CaCl(ClO)・H_{2}O ＋ 2HCl → CaCl_{2} ＋ Cl_{2}↑ ＋ 2H_{2}O} \]

参考：【弱酸・弱塩基遊離反応】原理や公式、反応式の作り方など

塩化水素HCl

【揮発酸遊離】塩化ナトリウムNaClに濃硫酸H₂SO₄を加えて加熱する。

\[ \mathrm{NaCl ＋ H_{2}SO_{4} → NaHSO_{4} ＋HCl} \]

参考：揮発性酸遊離反応（原理・例・濃硫酸を使う理由など）

フッ化水素HF

【揮発酸遊離】フッ化カルシウムCaF₂（ホタル石）に濃硫酸H₂SO₄を加えて加熱する。

\[ \mathrm{CaF_{2} ＋ H_{2}SO_{4} → CaSO_{4} ＋ 2HF↑} \]

参考：揮発性酸遊離反応（原理・例・濃硫酸を使う理由など）