2族元素（アルカリ土類金属・Mg）の特徴・性質・反応など

アルカリ土類金属の単体

• アルカリ土類金属の単体は次のような性質をもつ。

❶ 炎色反応

• アルカリ金属同様に、アルカリ土類金属も特徴的な炎色反応を示す。

• なお、Be・Mgは炎色反応を示さない。

参考：【炎色反応】色一覧や仕組み、具体例、操作など

❷ 水H₂Oとの反応

• アルカリ土類金属は水H₂Oと次のように反応する。

• Beは水と反応しない。
• また、Mgは熱水とのみ反応する。

\[ \mathrm{Mg+2H_{2}O→Mg(OH)_{2}+H_{2}} \]

• Ca・Sr・Baは（熱水に加え）冷水とも反応する。

\[ \mathrm{Ca+2H_{2}O→Ca(OH)_{2}+H_{2}}\\
\mathrm{Sr+2H_{2}O→Sr(OH)_{2}+H_{2}}\\
\mathrm{Ba+2H_{2}O→Ba(OH)_{2}+H_{2}} \]

❸ 硫酸イオンSO₄^2－との反応

• アルカリ土類金属は硫酸イオンSO₄^2－と次のように反応する。

• Be・MgはSO₄^2－と沈殿をつくらない。
• Ca・Sr・BaはSO₄^2－と硫酸塩の白色沈殿をつくる。

❹ 水酸化物イオンOH^－との反応

• アルカリ土類金属は水酸化物イオンOH^－と次のように反応する。

• BeとMgはOH^－と水酸化物の白色沈殿をつくる。
• Caは多量のOH^－を加えた際に水酸化物の白色沈殿をつくる。
• SrとBaはOH^－と沈殿をつくらない。

酸化カルシウムCaO

❶ 生石灰ともよばれる

• 酸化カルシウムCaOは生石灰（読み方：せいせっかい）ともよばれる。

❷ 水に溶けて強塩基性を示す（水酸化物になる）

• 酸化カルシウムCaOは塩基性酸化物であるため、水を加えると多量の熱を発しながら反応し、白色粉末の水酸化カルシウムCa(OH)₂になる。

\[ \mathrm{CaO + H_{2}O → Ca(OH)_{2}（+63.6kJ）} \]

参考：酸化物の反応（金属元素・非金属元素）
参考：無機化学の色まとめ（イオン/化合物（沈殿）/ハロゲンなど）

弁当の発熱剤

• 先述の通り、酸化カルシウムCaOは水H₂Oと次のような反応を起こす。

\[ \mathrm{CaO + H_{2}O → Ca(OH)_{2}（+63.6kJ）} \]

• この反応は多量の熱を発する発熱反応であり、したがってCaOは弁当の発熱剤として用いられる。
• ヒモを引っ張ることで発熱するタイプの弁当の内部構造は次のようになっている。

• 弁当についているヒモを引くと、中にある水袋が破れる。この水がCaOと接触することで上記の発熱反応が起こり、弁当内の食べ物が温まる。

参考：反応熱・エンタルピー・熱化学反応式（図解・比熱の計算など）

❸ 塩基性の乾燥剤として用いられる

• 酸化カルシウムCaOは”塩基性の乾燥剤”として用いられる。
• 塩基性故、酸性気体の乾燥には用いることができない（中和反応してしまう）。

\[ \mathrm{CaO + 2HCl → CaCl_{2} + H_{2}O} \]

参考：【乾燥剤】酸性・中性・塩基性の乾燥剤一覧や分類・仕組みなど

❹ コークスを混ぜて加熱すると炭化カルシウム（カーバイド）が得られる

• 酸化カルシウムCaOにコークスCを混ぜ電気炉で強熱すると、炭化カルシウムCaC₂（カーバイド）が得られる。

\[ \mathrm{CaO+3C \overset{約2000℃}{→} \underbrace{ CaC_{2} }_{ カーバイド }+CO} \]

水酸化カルシウムCa(OH)₂

❶ 消石灰ともよばれる（水溶液は石灰水）

• 水酸化カルシウムCa(OH)₂は消石灰ともよばれる。
• なお、Ca(OH)₂を水に溶かしてできる水溶液は石灰水とよばれる。

❷ 石灰水に二酸化炭素を吹き込むと白く濁る→続けると再び無色に

• 石灰水（水酸化カルシウムCa(OH)₂水溶液）に二酸化炭素CO₂を通じると、炭酸カルシウムCaCO₃の沈殿が生成して白濁する。

\[ \mathrm{Ca(OH)_{2}+CO_{2}→CaCO_{3}↓+H_{2}O} \]

• ここでさらにCO₂を吹き込むと、次のような反応が起こる。

\[ \mathrm{CaCO_{3} + CO_{2} + H_{2}O → Ca(HCO_{3})_{2}} \]

• 炭酸水素カルシウムCa(HCO₃)₂は水に溶けやすい（溶解度がCaCO₃の約100倍）ため、沈殿が溶解する（＝白濁が消える）。
• また、白濁が消えた後、水溶液を加熱すると上記の逆反応が進み、CaCO₃の沈殿が生成し、再度白濁する。

\[ \mathrm{CaCO_{3} + CO_{2} + H_{2}O \color{#dc143c}{ ← } Ca(HCO_{3})_{2}} \]

• この反応はCO₂の検出反応として用いられる。

参考：気体の検出反応まとめ

❸ 鍾乳洞・鍾乳石の生成

• 鍾乳洞（読み方：しょうにゅうどう）と鍾乳石（読み方：しょうにゅうせき）の生成に水酸化カルシウムCa(OH)₂は深く関わっている。
• サンゴなどの主成分は炭酸カルシウムCaCO₃である。したがって、海底が隆起してできた地層には石灰岩CaCO₃が多く含まれる。
• そこにCO₂を含んだ地下水が流れ続けると、次のような反応が起きて石灰岩が溶けて洞窟ができる。これが鍾乳洞である。

\[ \mathrm{CaCO_{3} + CO_{2} + H_{2}O → Ca(HCO_{3})_{2}} \]

• このとき、鍾乳洞の上からはCa(HCO₃)₂を含んだ地下水が滴り落ちている。また、少量の地下水が蒸発している。
• その結果、次の反応が起き、少しずつ鍾乳石や石筍（読み方：せきじゅん）が成長する。

\[ \mathrm{Ca(HCO_{3})_{2}→CaCO_{3} + CO_{2} + H_{2}O} \]

• 鍾乳洞の上から垂れ下がったものが鍾乳石、下から突き出しているものが石筍である。

❹ 塩素を吸収させるとさらし粉CaCl(ClO)・H₂Oが得られる

• 水酸化カルシウムCa(OH)₂に塩素Cl₂を吸収させるとさらし粉CaCl(ClO)・H₂Oが得られる。

\[ \mathrm{Ca(OH)_{2}+Cl_{2}→ CaCl(ClO)・H_{2}O} \]

炭酸カルシウムCaCO₃

❶ 石灰石や大理石の主成分である

• 炭酸カルシウムCaCO₃は石灰石や大理石の主成分として天然に多く存在する。

❷ 熱分解すると酸化カルシウムが生成する

• 炭酸カルシウムCaCO₃を熱分解すると酸化カルシウムCaOが生成する。

\[ \mathrm{CaCO_{3} → CaO + CO_{2}} \]

参考：【熱分解反応】入試頻出3パターンの反応式の作り方などを解説

❸ 水に溶けにくい

• 炭酸カルシウムCaCO₃は水に溶けにくい。
• 水に難溶な塩について詳しくは次のページを参照のこと。

参考：水に難溶なイオン結晶（水酸化物・硫化物・塩化物・硫酸・クロム酸・炭酸イオン）

塩化カルシウムCaCl₂

• 塩化カルシウムCaCl₂は吸湿性・潮解性をもっており、中性の乾燥剤として使用される。（NH₃とは反応してしまうためNH₃の乾燥には使用不可）
• 乾燥剤について詳しくは下記ページを参照のこと。

参考：【乾燥剤】酸性・中性・塩基性の乾燥剤一覧や分類・仕組みなど

炭化カルシウムCaC₂

• 炭化カルシウムCaC₂はカーバイドともよばれ、生石灰CaOにコークスCを混ぜ高温に熱することで製造する。

\[ \mathrm{CaO+3C \overset{約2000℃}{→} \underbrace{ CaC_{2} }_{ カーバイド }+CO} \]

• CaC₂に水を加えると、加水分解反応が起こりアセチレンC₂H₂が発生する。

\[ \mathrm{CaC_{2} + 2H_{2}O → C_{2}H_{2} + Ca(OH)_{2}} \]

参考：アルキン（一般式の作り方・一覧・製法・付加重合・置換反応など）