この教材で学ぶこと
到達目標
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炭素の単体と同素体を説明できる
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ダイヤモンドと黒鉛の構造・性質の違いを説明できる
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一酸化炭素 CO の性質と危険性を説明できる
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二酸化炭素 CO₂ の性質と検出方法を説明できる
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炭酸塩と酸の反応を説明できる
前提知識
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周期表の基礎
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共有結合
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酸化物
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気体の性質
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酸・塩基の基礎
1
炭素とは
炭素 C は、周期表の14族に属する元素です。
炭素は有機化合物の中心元素として非常に重要ですが、無機化学でも単体、酸化物、炭酸塩としてよく登場します。
炭素の単体には、ダイヤモンド、黒鉛、フラーレンなどの同素体があります。
同素体とは、同じ元素からできているが、原子の並び方や結合の仕方が異なるため、性質が異なる単体のことです。
高校化学では、ダイヤモンドと黒鉛の違い、一酸化炭素 CO、二酸化炭素 CO₂、炭酸塩が重要です。
炭素の基本情報
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項目
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内容
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元素記号
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C
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分類
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14族元素
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主な単体
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ダイヤモンド、黒鉛、フラーレン
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重要な酸化物
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CO、CO₂
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重要な化合物
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炭酸塩、炭酸水素塩
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確認ポイント
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炭素の元素記号がCであることを答えられる
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炭素が14族元素であることを説明できる
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炭素には複数の同素体があることを説明できる
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2
炭素の同素体
炭素の代表的な同素体には、ダイヤモンド、黒鉛、フラーレンがあります。
ダイヤモンドは、炭素原子が正四面体状に共有結合でつながった構造をもちます。
黒鉛は、炭素原子が平面状に広がった層状構造をもちます。
ダイヤモンドは非常に硬く、電気を通しません。
黒鉛は層がずれやすく、電気を通す性質があります。
炭素の同素体の比較
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同素体
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構造
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性質
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用途
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ダイヤモンド
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正四面体状の共有結合が三次元的に広がる
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非常に硬い。電気を通さない
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宝石、研磨剤
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黒鉛
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平面状の層が重なった構造
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やわらかい。電気を通す
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鉛筆の芯、電極
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フラーレン
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炭素原子が球状などに並ぶ
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発展的な炭素材料
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ナノ材料など
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注意：ダイヤモンドと黒鉛はどちらも炭素だけからできていますが、構造が違うため性質が大きく異なります。
注意：黒鉛が電気を通すのは、層内に動きやすい電子があるためです。
確認ポイント
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同素体の意味を説明できる
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ダイヤモンドと黒鉛の性質を区別できる
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黒鉛が電気を通すことを答えられる
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3
ダイヤモンドと黒鉛の違い
ダイヤモンドと黒鉛は、試験でよく比較されます。
ダイヤモンドは、炭素原子が4本の共有結合で立体的につながった構造をもちます。
そのため、非常に硬く、融点も高いです。
黒鉛は、炭素原子が平面状に広がった層が重なった構造をもちます。
層と層の間の結びつきは比較的弱いため、層がすべりやすく、鉛筆の芯として使われます。
ダイヤモンドと黒鉛
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項目
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ダイヤモンド
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黒鉛
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構造
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三次元網目構造
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層状構造
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硬さ
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非常に硬い
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やわらかい
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電気伝導性
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通さない
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通す
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主な用途
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宝石、研磨剤
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鉛筆の芯、電極
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結晶の種類
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共有結合結晶
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共有結合をもつ層状構造
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例題：ダイヤモンドと黒鉛で電気を通すのはどちらか。
答え：黒鉛
黒鉛は層状構造をもち、動きやすい電子があるため電気を通します。ダイヤモンドは電気を通しません。
例題：ダイヤモンドが非常に硬い理由を簡単に説明せよ。
答え：炭素原子が共有結合で三次元的に強く結びついているため。
ダイヤモンドでは炭素原子が立体的な網目構造を作っているため、非常に硬いです。
確認ポイント
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ダイヤモンドが電気を通さないことを答えられる
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黒鉛が電気を通すことを答えられる
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構造の違いから性質の違いを説明できる
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4
一酸化炭素 CO
一酸化炭素 CO は、炭素を含む物質が酸素不足の状態で不完全燃焼すると発生します。
COは無色・無臭の気体で、非常に有毒です。
血液中のヘモグロビンと強く結合し、酸素の運搬を妨げるため、一酸化炭素中毒を引き起こします。
一酸化炭素は燃える気体であり、燃焼すると二酸化炭素になります。
また、COは酸化物から酸素を奪う還元剤としてはたらくことがあります。
一酸化炭素の燃焼
2CO + O₂ → 2CO₂
一酸化炭素は燃焼して二酸化炭素になります。
一酸化炭素による酸化銅(II)の還元
CuO + CO → Cu + CO₂
COがCuOから酸素を奪い、銅が生成します。COは還元剤としてはたらきます。
一酸化炭素の性質
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項目
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内容
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化学式
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CO
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色・におい
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無色・無臭
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毒性
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非常に有毒
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発生
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不完全燃焼で発生
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性質
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燃える。還元剤としてはたらく
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注意：一酸化炭素は無色・無臭なので、発生しても気づきにくい危険な気体です。
注意：換気不足の状態で燃焼器具を使うと、一酸化炭素中毒の危険があります。
確認ポイント
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COが一酸化炭素であることを答えられる
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COが不完全燃焼で発生することを説明できる
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COが有毒である理由を説明できる
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COが還元剤としてはたらくことを説明できる
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5
二酸化炭素 CO₂
二酸化炭素 CO₂ は、炭素や有機物が完全燃焼すると発生する気体です。
CO₂は無色・無臭で、空気より重い気体です。
水に少し溶けて炭酸 H₂CO₃ を生じるため、水溶液は弱い酸性を示します。
二酸化炭素は石灰水を白くにごらせることで検出できます。
また、CO₂は燃焼を助けないため、消火器にも利用されます。
炭素の完全燃焼
C + O₂ → CO₂
炭素が十分な酸素中で燃焼すると二酸化炭素が発生します。
二酸化炭素と水
CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃
炭酸を生じるため、水溶液は弱い酸性を示します。
石灰水との反応
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O
白色沈殿のCaCO₃が生じるため、石灰水が白くにごります。
二酸化炭素の性質
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項目
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内容
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化学式
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CO₂
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色・におい
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無色・無臭
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空気との比較
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空気より重い
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水溶液
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弱酸性
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検出
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石灰水を白くにごらせる
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用途
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消火器、ドライアイス、炭酸飲料
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例題：二酸化炭素の検出に使われる水溶液は何か。
答え：石灰水
二酸化炭素を石灰水に通すと、白色沈殿の炭酸カルシウムが生じ、白くにごります。
確認ポイント
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CO₂が二酸化炭素であることを答えられる
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CO₂が石灰水を白くにごらせることを説明できる
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CO₂水溶液が弱酸性を示すことを説明できる
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6
炭酸塩と炭酸水素塩
炭酸塩とは、炭酸イオン CO₃²⁻ を含む塩のことです。
代表的な炭酸塩には、炭酸カルシウム CaCO₃、炭酸ナトリウム Na₂CO₃ があります。
炭酸水素塩とは、炭酸水素イオン HCO₃⁻ を含む塩のことです。
代表例には、炭酸水素ナトリウム NaHCO₃ があります。
炭酸塩や炭酸水素塩に酸を加えると、二酸化炭素が発生します。
炭酸カルシウムと塩酸
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O
二酸化炭素が発生します。
炭酸水素ナトリウムと塩酸
NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ + H₂O
炭酸水素塩に酸を加えてもCO₂が発生します。
代表的な炭酸塩・炭酸水素塩
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化学式
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名称
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特徴
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CaCO₃
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炭酸カルシウム
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石灰石、貝殻の主成分
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Na₂CO₃
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炭酸ナトリウム
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水溶液は塩基性
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NaHCO₃
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炭酸水素ナトリウム
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重曹。加熱や酸との反応でCO₂を発生
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K₂CO₃
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炭酸カリウム
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カリウムを含む炭酸塩
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確認ポイント
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炭酸イオンがCO₃²⁻であることを答えられる
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炭酸水素イオンがHCO₃⁻であることを答えられる
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炭酸塩に酸を加えるとCO₂が発生することを説明できる
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7
炭酸カルシウムと石灰水
炭酸カルシウム CaCO₃ は、石灰石、貝殻、卵の殻などに含まれる白色の固体です。
炭酸カルシウムを加熱すると、酸化カルシウム CaO と二酸化炭素 CO₂ に分解します。
酸化カルシウム CaO は生石灰、水酸化カルシウム Ca(OH)₂ は消石灰と呼ばれます。
水酸化カルシウム水溶液は石灰水と呼ばれ、CO₂の検出に使われます。
CO₂を通じると白色沈殿 CaCO₃ が生じ、石灰水が白くにごります。
炭酸カルシウムの熱分解
CaCO₃ → CaO + CO₂
石灰石を強熱すると、生石灰と二酸化炭素が生じます。
生石灰と水
CaO + H₂O → Ca(OH)₂
酸化カルシウムに水を加えると、消石灰が生じます。
石灰水と二酸化炭素
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O
白色沈殿のCaCO₃が生じ、石灰水が白くにごります。
石灰に関係する物質
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化学式
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名称
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別名・特徴
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CaCO₃
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炭酸カルシウム
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石灰石、貝殻の主成分
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CaO
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酸化カルシウム
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生石灰
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Ca(OH)₂
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水酸化カルシウム
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消石灰。石灰水の成分
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CO₂
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二酸化炭素
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石灰水を白くにごらせる
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確認ポイント
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CaCO₃、CaO、Ca(OH)₂を区別できる
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石灰水が白くにごる理由を説明できる
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炭酸カルシウムの熱分解を説明できる
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8
炭酸水素ナトリウム
炭酸水素ナトリウム NaHCO₃ は、重曹とも呼ばれる物質です。
炭酸水素ナトリウムは加熱すると分解し、炭酸ナトリウム、二酸化炭素、水を生じます。
このとき発生する二酸化炭素によって、ふくらし粉として利用されることがあります。
また、NaHCO₃に酸を加えると二酸化炭素が発生します。
Na₂CO₃とNaHCO₃は化学式が似ているため、名称と性質を区別して覚える必要があります。
炭酸水素ナトリウムの熱分解
2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O
加熱により二酸化炭素が発生します。
炭酸水素ナトリウムと塩酸
NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ + H₂O
酸と反応して二酸化炭素を発生します。
Na₂CO₃とNaHCO₃の比較
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化学式
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名称
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特徴
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Na₂CO₃
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炭酸ナトリウム
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水溶液は塩基性。炭酸塩
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NaHCO₃
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炭酸水素ナトリウム
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重曹。加熱や酸でCO₂を発生
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例題：炭酸水素ナトリウムを加熱したときに発生する気体は何か。
答え：二酸化炭素 CO₂
2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O の反応で、CO₂が発生します。
確認ポイント
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NaHCO₃が炭酸水素ナトリウムであることを答えられる
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NaHCO₃の熱分解反応を書ける
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Na₂CO₃とNaHCO₃を区別できる
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9
炭素の還元作用
炭素 C や一酸化炭素 CO は、酸化物から酸素を奪う還元剤としてはたらくことがあります。
高温で炭素を金属酸化物と反応させると、金属が取り出されることがあります。
たとえば、酸化銅(II) CuO は炭素によって還元され、銅 Cu になります。
一酸化炭素も金属酸化物を還元する性質をもち、製鉄などの理解にもつながります。
酸化還元の視点では、炭素やCOは酸素を受け取ってCO₂になるため、相手を還元する物質として理解できます。
炭素による酸化銅(II)の還元
2CuO + C → 2Cu + CO₂
CuOが還元されてCuになります。炭素は酸化されてCO₂になります。
一酸化炭素による酸化鉄の還元
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
COが酸化鉄を還元して鉄を生じます。製鉄の理解につながります。
炭素・一酸化炭素の還元作用
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還元剤
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反応例
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ポイント
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C
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2CuO + C → 2Cu + CO₂
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炭素が酸素を奪う
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CO
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CuO + CO → Cu + CO₂
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COが酸化物を還元する
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CO
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Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
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製鉄と関係する
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確認ポイント
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炭素が還元剤としてはたらくことを説明できる
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COが還元剤としてはたらくことを説明できる
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酸化物から酸素を奪う反応を還元として理解できる
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10
テストでの出題パターン
炭素と炭素化合物は、同素体、CO、CO₂、炭酸塩、石灰水、還元作用として出題されやすいです。
特に、ダイヤモンドと黒鉛の違い、COの毒性、CO₂による石灰水の白濁、炭酸塩と酸の反応は頻出です。
また、Na₂CO₃とNaHCO₃の違い、炭酸水素ナトリウムの熱分解もよく問われます。
炭素は有機化学でも中心になりますが、無機化学では酸化物・炭酸塩・同素体として整理しましょう。
例題：ダイヤモンドと黒鉛のうち、電気を通すのはどちらか。
答え：黒鉛
黒鉛は層状構造をもち、動きやすい電子があるため電気を通します。
例題：一酸化炭素が危険な理由を答えよ。
答え：無色・無臭で気づきにくく、ヘモグロビンと結合して酸素の運搬を妨げるため。
COは非常に有毒で、一酸化炭素中毒を引き起こします。
例題：二酸化炭素を石灰水に通すとどうなるか。
答え：白くにごる。
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O により、白色沈殿のCaCO₃が生じます。
例題：炭酸カルシウムに塩酸を加えると発生する気体は何か。
答え：二酸化炭素 CO₂
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O の反応でCO₂が発生します。
確認ポイント
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炭素の同素体を説明できる
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COとCO₂の性質を区別できる
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石灰水によるCO₂の検出を説明できる
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炭酸塩と酸の反応を説明できる
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炭素やCOの還元作用を説明できる
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