高校化学
Unit 12
窒素・リン・炭素・ケイ素
空気から肥料を作るハーバー・ボッシュ法、ガラスの主成分SiO₂…14・15族元素の産業的重要性を学ぼう。
🏭 NH₃ 合成⚗️ HNO₃ 製造💡 Si・SiO₂
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窒素・リン（15族）の性質と反応
窒素（N₂）は大気の約78%を占め、N≡N の三重結合で非常に安定。アンモニア（NH₃）と硝酸（HNO₃）は工業的に重要な窒素化合物。リン（P）は黄リン・赤リンの同素体をもち、リン酸（H₃PO₄）は三価の弱酸。
🏭 ハーバー・ボッシュ法（アンモニア合成）
| 反応式 | 条件 | ポイント |
|---|---|---|
| N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ ΔH < 0 | Fe系触媒・400〜600°C・200〜400気圧 | 発熱反応なので低温が有利だが反応速度が遅くなるため中温を採用 |
🏭 オストワルト法（硝酸の工業的製造）
| 工程 | 反応式 |
|---|---|
| ① NH₃ の酸化 | 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O（Pt触媒） |
| ② NO の酸化 | 2NO + O₂ → 2NO₂ |
| ③ 硝酸の生成 | 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO |
📋 硝酸 HNO₃ の性質
- 強酸・強い酸化剤（希硝酸 → NO 発生；濃硝酸 → NO₂ 発生）
- 不動態：Fe, Ni, Al は濃硝酸で酸化皮膜（不動態）を形成し溶けない
- 王水（濃塩酸3:濃硝酸1）：Au, Pt を溶かす唯一の酸
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炭素・ケイ素（14族）の性質
炭素（C）はダイヤモンド・黒鉛・フラーレンの同素体をもち、CO₂ や CO は身近な化合物。ケイ素（Si）は地殻に2番目に多い元素で、SiO₂（二酸化ケイ素）や珪酸塩ガラスとして重要。半導体材料としても産業上不可欠。
💡 炭素・ケイ素の重要化合物
| 化合物 | 性質・用途 |
|---|---|
| CO₂（二酸化炭素） | 水に溶けて弱酸性（H₂CO₃）。ドライアイスは昇華性。温室効果ガス |
| CO（一酸化炭素） | 無色無臭の有毒気体。還元剤として高炉（製鉄）で Fe₂O₃ → Fe に利用 |
| SiO₂（二酸化ケイ素） | HF にのみ溶ける（SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O）。ガラス容器は HF 保存不可 |
| Si（シリコン） | 半導体材料（太陽電池・CPU）。高純度は帯域精製で得る |
✅ この単元のまとめ
- ハーバー・ボッシュ法：N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃（Fe触媒・高温高圧）
- オストワルト法：NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃（Pt触媒）
- 希硝酸 → NO；濃硝酸 → NO₂（還元剤との反応）
- 不動態：Fe, Ni, Al が濃硝酸・濃硫酸で保護皮膜を形成
- 王水（HCl:HNO₃ = 3:1）：Au, Pt を溶解
- SiO₂ は HF にのみ溶ける；CO は還元剤として製鉄に使用
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