高校化学 Unit 13

典型金属元素

Na の炎が黄色で Ca が橙赤なのはなぜ？典型金属の炎色反応・水との反応・両性金属 Al の特性を整理しよう。

🔥 炎色反応⚗️ アルカリ金属🔩 Al の両性

アルカリ金属・アルカリ土類金属

花火が赤・黄・緑など様々な色に光るのは、火薬に混ぜられた金属の種類によって炎の色が決まっているから。これを炎色反応という。ナトリウム(Na)は黄色、カリウム(K)は赤紫色、カルシウム(Ca)は橙赤色、銅(Cu)は青緑色というように、金属ごとに決まった色が現れる。

周期表の一番左の列(1族)にあるナトリウムやカリウムなどの金属は、水に入れるとすぐに激しく反応してしまうほど反応性が高い。これらの金属は、灯油の中に保存しないと空気中の水分とすぐ反応してしまう。

アルカリ金属（1族：Li, Na, K…）は最も反応性が高い金属群で、水や酸素と激しく反応する。アルカリ土類金属（2族：Ca, Mg, Ba…）も反応性が高いが、アルカリ金属ほどではない。炎色反応の色でイオンを識別できる。

図1:主な元素の炎色反応の色。花火の色は、この原理を利用して金属の種類を調合することで作られている。

🔥 炎色反応と主な性質

元素	炎色反応	水との反応	特徴・用途
Na（ナトリウム）	黄色	2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑	食塩（NaCl）・NaOH（苛性ソーダ）・Na₂CO₃（炭酸ナトリウム）
K（カリウム）	赤紫色	激しく反応（Na より速い）	肥料・KOH（水酸化カリウム）
Ca（カルシウム）	橙赤色	Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑	石灰石 CaCO₃・消石灰 Ca(OH)₂・セメント・硫酸カルシウム（石膏）
Mg（マグネシウム）	示さない（燃やすと強い白色光を出す）	熱水と反応（常温の水とはほぼ反応せず）	合金材料・花火・写真のフラッシュ
Li（リチウム）	赤色	穏やかに反応	リチウムイオン電池・医薬品
Ba（バリウム）	黄緑色	Ca より速く反応	BaSO₄：胃のX線造影剤（水に不溶）

❌ よくある誤解

誤:アルカリ金属は「アルカリ性の性質を持つ金属」という意味である正:金属そのものがアルカリ性なのではなく、水と反応して生じる水酸化物(NaOHなど)が強塩基性(アルカリ性)を示すことから、この名前がついている

「アルカリ金属」は分類上の名称であり、金属単体自体の性質を表しているわけではない。反応後の生成物の性質に由来する名前。

誤:BaSO₄はBa²⁺を含むので、レントゲン検査などで人体に使うと有毒である正:Ba²⁺イオン自体は有毒だが、BaSO₄は水に極めて溶けにくい(難溶性)ため、体内でイオン化しにくく、レントゲンの造影剤として安全に使用できる

「その元素が有毒かどうか」と「その化合物(この場合は難溶性の塩)が体内で危険かどうか」は別の問題。溶解度の低さが安全性を支えている。

💡 なぜ元素ごとに炎色反応の色が違うのか? 炎の熱エネルギーを受け取った金属原子の電子は、通常のエネルギー準位(基底状態)から一時的に高いエネルギー準位(励起状態)へジャンプする。この不安定な状態はすぐに元の準位に戻ろうとし、そのとき差分のエネルギーを特定の波長の光として放出する。このエネルギー準位の間隔は元素の種類によって決まっているため、放出される光の波長(色)も元素固有のものになる。

アルミニウム・スズ・鉛と両性金属

アルミサッシやアルミ缶に使われるアルミニウム(Al)は、酸にも塩基にも溶けるという珍しい性質を持つ金属(両性金属)。1円玉もアルミニウムでできているが、酸性の食酢にも塩基性の重曹水にも(ゆっくりとだが)反応してしまう。

また、スズ(Sn)と鉛(Pb)を混ぜ合わせた合金は「はんだ」として電子回路の接合に長く使われてきた(現在は鉛の毒性の観点から鉛フリーはんだへの切り替えが進んでいる)。

アルミニウム（Al）は両性金属で、酸にも強塩基にも溶ける。Al₂O₃（アルミナ）は融解塩電解でアルミニウムに精製される。スズ（Sn）と鉛（Pb）はイオン化傾向が低めの典型金属で、はんだ（Sn-Pb 合金）などに使われる。

⚗️ アルミニウムの重要反応

反応相手	反応式
希塩酸・希硫酸（酸）	2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑
水酸化ナトリウム（強塩基）	2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑
濃硝酸・濃硫酸	不動態（反応しない）
酸化鉄との反応（テルミット反応）	2Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe（高温・高エネルギー）

❌ よくある誤解

誤:両性金属は「酸にも塩基にも耐える(反応しない)特別に丈夫な金属」という意味正:両性金属は逆に「酸にも塩基にも反応して溶けてしまう」金属という意味。Al, Zn, Snが代表的な両性金属である

「両性」は"どちらにも耐える"ではなく"どちらとも反応する"という意味。名前から誤解しやすいので注意。

誤:アルミニウムは反応性が高い金属だから、空気中でどんどん錆びて(酸化されて)ボロボロになる正:Alは実際にはすぐ酸化されるが、表面にできる緻密な酸化被膜(Al₂O₃)が内部を保護するため、それ以上酸化が進みにくい(不動態に近い状態)。この性質のおかげでアルミサッシなどが屋外でも長持ちする

「反応性が高い=すぐボロボロになる」とは限らない。表面にできる被膜が保護膜として働くケースがある(これは鉄がさびて内部までボロボロになるのとは対照的)。

💡 なぜアルミニウムは酸にも塩基にも溶けるのか? Alは金属としての性質(陽イオンになりやすい)と、非金属的な性質(電子を受け取って酸化物イオンと結合しやすい)を中途半端に併せ持つ元素である。酸(H⁺が多い環境)中ではAlが酸化されてAl³⁺として溶け、塩基(OH⁻が多い環境)中ではAl(OH)₃がさらにOH⁻と結合して[Al(OH)₄]⁻(テトラヒドロキシドアルミン酸イオン)という形で溶ける。このように、周囲の環境(酸性か塩基性か)に応じて異なる溶け方をするのが両性の本質である。

🎯 練習問題

まず自分で解いてから、「答えを見る」を押して確かめよう。

問1 ★ 炎色反応

ナトリウムの炎色反応の色はどれか。

ア赤色
イ黄色
ウ赤紫色
エ青緑色

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答えイ

Li は赤、Na は黄、K は赤紫、Cu は青緑。

問2 ★ 炎色反応

炎色反応が赤紫色になるアルカリ金属は何か。元素名で答えよ。

答えを見る

答えカリウム

Li は赤、Na は黄、K は赤紫。

問3 ★★ 両性金属

アルミニウムのように、酸とも強塩基とも反応してとける金属を何というか。

答えを見る

答え両性金属

アルミニウムのほか、亜鉛・スズ・鉛も両性金属。

問4 ★★ 金属と水の反応

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ の反応で、ナトリウム 0.40 mol が反応すると、水素は何mol発生するか。有効数字2桁で答えよ。

答えを見る

答え0.20 mol

係数の比より Na：H₂ = 2：1。

問5 ★★ 金属と酸の反応

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂ の反応で、アルミニウム 0.20 mol が反応すると、水素は何mol発生するか。有効数字2桁で答えよ。

答えを見る

答え0.30 mol

係数の比より Al：H₂ = 2：3。

問6 ★★★ 発生する気体の体積

アルミニウム 5.4 g を十分な量の塩酸と反応させた（2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂）。発生する水素は、標準状態で何Lか。アルミニウムの原子量は27とする。標準状態の気体のモル体積は 22.4 L/mol とする。有効数字3桁で答えよ。

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答え6.72 L

アルミニウムは 0.20 mol、水素は 0.30 mol。0.30 × 22.4。

✅ この単元のまとめ

アルカリ金属（1族）：水と反応して H₂ と MOH を生成；炎色反応で識別
アルカリ土類金属（2族）：Ca・Sr・Ba は炎色反応あり（Be・Mg は示さない）；Ca → Ca(OH)₂（石灰水）
炎色反応：Li赤 / Na黄 / K赤紫 / Ca橙赤 / Sr深紅 / Ba黄緑 / Cu青緑
Al は両性金属：希酸（HCl）にも強塩基（NaOH）にも溶ける
Al の不動態：濃硝酸・濃硫酸で保護膜形成
Al の工業的製錬：ボーキサイト → Al₂O₃（アルミナ）→ 溶融塩電解
テルミット反応：2Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2Fe（溶接に利用）

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