両性元素とは（ゴロ・覚え方・反応式など）

両性元素とは

• 酸とも塩基とも反応する性質を両性という。
• 単体・酸化物・水酸化物が両性を示す元素を両性元素という。
• 高校化学では、次の4つの両性元素を覚える必要がある（ゴロ：ああ、すんなり）。

\[ \mathrm{Al , Zn , Sn , Pb} \]

アルミニウム

• アルミニウムの代表的な特徴は次の通りである。

❶ 融点が低く、密度が小さい

• アルミニウムの融点は約660℃であり、金属単体の中では比較的低い。
• アルミニウムの密度は約2.7g/cm³であり、金属単体の中では非常に小さい。この軽さを活かして、アルミニウムはアルミホイルやアルミ缶、建築材料、航空機材料などに利用されている。
• なお、アルミニウムが航空機材料として用いられる際は銅やマグネシウムを混ぜた合金であるジュラルミンとして用いられる。

参考：めっき・合金一覧

❷ アルマイト

• 金属が酸化物の膜で覆われて溶けることができなくなった状態を不動態という。

参考：不動態（覚え方・ゴロ・原理など）

• 工業製品などにアルミニウムを使う際、人工的にこの不動態をつくり出すことで安定性を向上させ、さびを防止している。
• このように、アルミニウムの単体の表面を人工的に酸化させてできる工業製品をアルマイトという。

❸ ミョウバン

• 硫酸カリウムアルミニウム十二水和物 AlK(SO4)2・12H2Oをミョウバン（カリミョウバン）という。
• ミョウバン（カリミョウバン）の結晶は無色透明の正八面体形である。
• ミョウバン（カリミョウバン）は、硫酸カリウムK₂SO₄と硫酸アルミニウム Al₂(SO₄)₃の２種類の塩が組み合わさってできる塩である。このように2種類の塩からなる塩を複塩という。

ミョウバン（カリミョウバン）の水溶液は酸性です。これは、ミョウバンがやや弱い塩基（弱塩基＋強塩基）と強酸からなる塩だからです。



参考：塩の液性（見分け方・演習問題など）

❹ テルミット反応

• 酸化鉄(Ⅲ)Fe₂O₃とアルミニウムAlを混合したものをテルミットという。
• テルミットを加熱すると、激しい光と熱を伴い、次の反応が起こる。

\[ \mathrm{2Al + Fe_{2}O_{3} → 2Fe + Al_{2}O_{3}} \]

• この反応をテルミット反応という。

❺ 工業的製法：ホール・エルー法

• アルミニウムの工業的製法をホール・エルー法という。
• ホール・エルー法について詳しくは次のページを参照のこと。

参考：アルミニウムの工業的製法「ボーキサイトの精錬・融解塩電解」（仕組み・氷晶石を入れる理由など）

アルミニウムがさびない理由

• アルミニウムはイオン化傾向が非常に大きく、酸化されやすい金属である。

参考：イオン化傾向（覚え方・定義・金属板の反応のしやすさ）

• しかし、空気中に放置しても鉄のように全体がさびることはない。これはアルミニウムが不動態を形成するためである。
• アルミニウムは酸化されやすいため、空気中では表面がすぐに酸化される。しかし、このとき表面にできる酸化アルミニウムAl₂O₃による酸化被膜は非常に緻密であり、アルミニウム全体を完全に覆う。これにより、内部のアルミニウムと空気中の酸素の接触が絶たれ、さびの内部進行が妨げられる。
• なお、Al₂O₃による酸化被膜は無色透明である。したがって、この膜が形成されているかどうかを肉眼で判断することはできず、 Alは空気中でさびないと誤解されやすい。

亜鉛

• 亜鉛の代表的な特徴は次の通りである。

❶ 融点は約420℃、密度は約7.13g/cm³

• 亜鉛の単体の融点は約420℃、密度は約7.13g/cm³である。

❷ 乾電池の負極になる

• 亜鉛の単体は乾電池の負極として用いられる。

参考：電池の仕組み（イオン化傾向との関わり・正極と負極・電子と電流の向き）

❸ メッキ・合金として利用される

• 亜鉛は鉄メッキ（トタン）に用いられる。

参考：【鉄メッキ】ブリキとトタン（違い・イオン化傾向に基づく錆びやすさの理由など）

• また、黄銅などの合金にも含まれる。

参考：めっき・合金一覧

❹ 化合物である酸化亜鉛ZnO、硫化亜鉛ZnSは白色顔料（着色剤）として利用される

• 亜鉛の化合物は白色系統が多い。
• 亜鉛の化合物である酸化亜鉛ZnO、硫化亜鉛ZnSは白色顔料（着色剤）として利用される。

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）

スズ

• スズの代表的な特徴は次の通りである。

❶ メッキ・合金として用いられる

• スズは鉄メッキ（ブリキ）に用いられる。

参考：【鉄メッキ】ブリキとトタン（違い・イオン化傾向に基づく錆びやすさの理由など）

• また、青銅やはんだなどの合金にも含まれる。

参考：めっき・合金一覧

❷ イオンの安定性はSn^4＋＞Sn^2＋

• スズ(Ⅱ)イオンSn^2＋とスズ(Ⅳ)イオンSn^4＋の安定性を比較するとSn^2＋＜Sn^4＋である。

❸ 希塩酸に水素を発生しながら溶け、塩化スズ(Ⅱ)二水和物を生じる

• 希塩酸HClに水素H₂を発生しながら溶け、塩化スズ(Ⅱ)二水和物SnCl₂・2H₂Oの無色の結晶を生じる。

\[ \mathrm{Sn+2HCl→SnCl_{2}+H_{2}} \]

• なお、Sn^2＋はSn^4＋に酸化されやすいため、SnCl₂は強い還元性を示す。

❹ 酸化スズ(Ⅱ)SnOと酸化スズ(Ⅳ)SnO₂

• スズの酸化物には、黒色の酸化スズ(Ⅱ)SnOと白色の酸化スズ(Ⅳ)SnO₂が存在する。
• SnO₂はスズ石として天然から産出される。これを高温下（約1300℃）で炭素を用いて還元することで、単体のスズが得られる。

鉛

• 鉛の代表的な特徴は次の通りである。

❶ 放射線を遮る

• 鉛の単体は放射線を遮る。
• したがって、鉛をエプロンのように身につけることによって、レントゲンを撮る際の遮蔽材として用いられる。

❷ 硫酸イオンや炭酸イオンと白色沈殿をつくる

• 鉛(Ⅱ)イオンPb^2＋は、硫酸イオンSO₄^2－や炭酸イオンCO₃^2－と反応し白色沈殿を形成する。

参考：沈殿生成反応の仕組みと沈殿生成反応式の作り方
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）

❸ イオンの安定性はPb^2＋＞Pb^4＋

• 鉛(Ⅱ)イオンPb^2＋と鉛(Ⅳ)イオンPb^4＋の安定性を比較するとPb^2＋＞Pb^4＋である。
• これは、鉛蓄電池の分野で重要な知識なので必ず覚えておこう。

参考：鉛蓄電池（仕組み・反応式・充電・計算問題の解き方など）

両性元素の単体の反応

• 両性元素の単体の反応について、「酸との反応」「塩基との反応」に分けて解説する。

酸との反応

アルミニウムと塩酸の反応

• アルミニウム Alは水素H₂よりもイオン化傾向が大きい。
• したがって、 Alに塩酸HCl（H^＋）を加えると、次の反応が起こる。

\[ \mathrm{2Al + 6HCl → 2AlCl_{3} + 3H_{2}} \]

亜鉛と塩酸の反応

• 亜鉛Znは水素H₂よりもイオン化傾向が大きい。
• したがって、Znに塩酸HCl（H^＋）を加えると、次の反応が起こる。

\[ \mathrm{Zn+2HCl→ZnCl_{2}+H_{2}} \]

塩基との反応

アルミニウムと水酸化ナトリウム水溶液の反応

• 両性元素は水酸化物イオンOH^－と錯イオンを形成する。 
• アルミニウムAlに水酸化ナトリウムNaOH水溶液を加えると、次の酸化還元反応が起こる。

\[ \begin{eqnarray}
\left\{
\begin{array}{l}
\mathrm{Al+4OH^{-}→[Al(OH)_{4}]^{-}+3e^{-}・・・①}\\
\mathrm{2H_{2}O+2e^{-}→H_{2}+2OH^{-}・・・②}
\end{array}
\right.
\end{eqnarray}
\]

• ①×2+②×3により

\[ \mathrm{2Al+2OH^{-}+6H_{2}O→2[Al(OH)_{4}]^{-}+3H_{2}} \]

• この反応にはNaOHが使われているので、両辺にOH^－の対となるイオン、Na^＋を2個ずつ加える。

\[ \mathrm{2Al+2NaOH+6H_{2}O→2Na[Al(OH)_{4}]+3H_{2}} \]

亜鉛と水酸化ナトリウム水溶液の反応

• 亜鉛Znに水酸化ナトリウムNaOH水溶液を加えると、次の酸化還元反応が起こる。

\[ \begin{eqnarray}
\left\{
\begin{array}{l}
\mathrm{Zn+4OH^{-}→[Zn(OH)_{4}]^{2-}+2e^{-}・・・①}\\
\mathrm{2H_{2}O+2e^{-}→H_{2}+2OH^{-}・・・②}
\end{array}
\right.
\end{eqnarray}
\]

• ①+②より

\[ \mathrm{Zn+2OH^{-}+2H_{2}O→[Zn(OH)_{4}]^{2-}+H_{2}} \]

• この反応にはNaOHが使われているので、両辺にOH^－の対となるイオン、Na^＋を2個ずつ加える。

\[ \mathrm{Zn+2NaOH+2H_{2}O→Na_{2}[Zn(OH)_{4}]+H_{2}} \]

両性酸化物の反応

• 両性酸化物の反応について、「酸との反応」「塩基との反応」に分けて解説する。

酸との反応

酸化アルミニウムと塩酸の反応

• 酸化アルミニウムAl₂O₃は金属元素の酸化物であり、塩酸HClを加えると次の反応を示す。

\[ \mathrm{Al_{2}O_{3}+6HCl→2AlCl_{3}+3H_{2}O} \]

• 金属元素の酸化物と酸の反応について詳しくは次のページを参照のこと。

参考：酸化物の反応（金属元素・非金属元素）

酸化亜鉛と塩酸の反応

• 酸化亜鉛ZnOは金属元素の酸化物であり、塩酸HClを加えると次の反応を示す。

\[ \mathrm{ZnO+2HCl→ZnCl_{2}+H_{2}O} \]

• 金属元素の酸化物と酸の反応について詳しくは次のページを参照のこと。

参考：酸化物の反応（金属元素・非金属元素）

塩基との反応

酸化アルミニウムと水酸化ナトリウム水溶液の反応

• 金属元素の酸化物は塩基性酸化物であり、通常は塩基と反応しない。ただし、両性元素の酸化物である酸化アルミニウムAl₂O₃は塩基とも反応する。これは、Al^3＋が水酸化物イオンOH^－と錯イオンを形成するためである。
• Al₂O₃と水酸化ナトリウムNaOHの反応は次の3STEPで考える。

酸化亜鉛と水酸化ナトリウム水溶液の反応

• ZnOと水酸化ナトリウムNaOHの反応は次の3STEPで考える。