高校化学 Unit 14

遷移金属と工業的製法

鉄・銅・マンガン…遷移金属はなぜ色が多彩で触媒として優秀なの？錯イオンと工業プロセスで全体像を把握しよう。

🔩 遷移金属🏭 製鉄・高炉🧪 錯イオン

遷移金属の性質と主な元素

10円玉(銅)は赤みがかった色、5円玉の一部に使われる真鍮(銅と亜鉛の合金)は金色、鉄は銀白色…と、金属によって色が違うのは見た目からも分かりやすい。それだけでなく、金属が水に溶けてイオンになったときにも、鮮やかな色がつくことが多い。例えば銅イオン(Cu²⁺)を含む水溶液は青色をしている。

このように色鮮やかなイオンを作ったり、化学反応を助ける触媒として活躍したりする金属の多くは、周期表の中央あたり(遷移金属)に集まっている。鉄・銅・亜鉛・銀・クロム・マンガンなど、身の回りでもよく使われる金属ばかりである。

遷移金属（3〜12族）は d 軌道に電子が入る金属群。複数の酸化数をとりやすく、有色のイオンや錯イオンを形成し、触媒として活躍する元素が多い。Fe, Cu, Zn, Cr, Mn, Ag, Au など身近な金属が並ぶ。

🔩 主な遷移金属の性質

元素	代表イオン・酸化数	イオンの色	特徴・用途
Fe（鉄）	Fe²⁺, Fe³⁺	淡緑色・黄褐色	製鉄（高炉）・ステンレス・磁性材料
Cu（銅）	Cu²⁺（+2）	青色	電線・電気メッキ・黄銅（Cu-Zn）・青銅（Cu-Sn）
Zn（亜鉛）	Zn²⁺（+2）	無色	めっき（トタン）・マンガン電池・両性金属
Ag（銀）	Ag⁺（+1）	無色	写真（AgBr の感光性）・鏡・殺菌
Cr（クロム）	Cr³⁺, Cr₂O₇²⁻（+6）	緑・橙赤色	ステンレス（Fe-Ni-Cr）・メッキ・酸化剤
Mn（マンガン）	Mn²⁺ 〜 Mn⁷⁺（多様）	淡ピンク〜紫	MnO₂（乾電池）・KMnO₄（酸化剤）

🏭 製鉄（高炉）のプロセス

工程	反応
コークスの燃焼	C + O₂ → CO₂ → 2CO（C + CO₂ → 2CO）
鉄鉱石の還元	Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
銑鉄から鋼へ	銑鉄（C 3〜4%）を転炉で精錬 → 鋼（C 0.1〜1.7%）

❌ よくある誤解

誤:遷移金属は「典型金属より高価で希少な特別な金属」を指す分類名である正:遷移金属は「d軌道に電子が入る」という電子配置上の分類であり、鉄(Fe)のように大量生産される安価な金属も含まれる。希少性とは無関係な分類

「遷移金属=レアメタル」ではない。鉄は遷移金属の中でも最も生産量の多い金属の一つ。

誤:高炉で鉄鉱石を還元するのは、コークス(C)そのものが直接鉄鉱石と反応するからだ正:高炉内ではコークスがまずCO₂やO₂と反応してCO(一酸化炭素)になり、このCOがFe₂O₃を還元してFeにする、という2段階の反応が主に起きている

「C + O₂ → CO₂」「C + CO₂ → 2CO」という前段階を経て生成したCOが、実際の還元剤として働く点を見落としやすい。

💡 なぜ遷移金属イオンは色がついているのか? 遷移金属イオンのd軌道は、周囲の水分子やその他の配位子から影響を受けて、エネルギーの異なる複数の軌道に分裂する。この分裂したd軌道間で電子が移動する際に、可視光の特定の波長を吸収するため、吸収されなかった残りの波長の光(補色)が私たちの目に届き、色として認識される。d軌道が電子で完全に満たされている(またはd電子を持たない)イオンは、この吸収が起こらないため無色になる(Zn²⁺やAg⁺が無色である理由)。

錯イオンと錯塩

青色の硫酸銅水溶液にアンモニア水を加えていくと、最初は青白い沈殿ができるが、さらにアンモニアを加えると沈殿が溶けて、今度は美しい深い青色の溶液に変わる。これは銅イオンにアンモニア分子がくっついて、新しい「複合イオン」ができたためだ。このような、金属イオンに他の分子・イオンがくっついてできる複合イオンを錯イオンという。

水に溶けない塩化銀 AgCl が、アンモニア水には [Ag(NH₃)₂]⁺ となって溶けるのも、銀イオンが錯イオンを作って水に溶けやすくなる性質によるものだ。

錯イオンは金属イオンに配位子（孤立電子対をもつ分子・イオン）が配位結合した複合イオン。配位子の数（配位数）と形（正四面体・正八面体など）が重要。命名は「配位子の数(ジ・テトラ・ヘキサなど) + 配位子名 + 金属名 + (酸化数) + イオン」。錯イオンが陰イオンのときは「〜酸イオン」とする。

🧪 代表的な錯イオン

錯イオン式	名称	配位子	色
[Cu(NH₃)₄]²⁺	テトラアンミン銅(II)イオン	NH₃（アンミン）× 4	深青色
[Ag(NH₃)₂]⁺	ジアンミン銀(I)イオン	NH₃ × 2	無色
[Fe(CN)₆]³⁻	ヘキサシアニド鉄(III)酸イオン	CN⁻（シアニド）× 6	黄色
[Zn(OH)₄]²⁻	テトラヒドロキシド亜鉛(II)酸イオン	OH⁻ × 4	無色
[Ag(S₂O₃)₂]³⁻	ジチオスルファト銀(I)酸イオン	S₂O₃²⁻ × 2	無色

📐 配位数と立体構造

配位数	形	例
2	直線形	[Ag(NH₃)₂]⁺
4	正四面体形または正方形	[Zn(NH₃)₄]²⁺(四面体)、[Cu(NH₃)₄]²⁺(正方形)
6	正八面体形	[Fe(CN)₆]³⁻

❌ よくある誤解

誤:配位結合は、共有結合とは全く別の特殊な結合である正:配位結合は共有結合の一種であり、結合のでき方(片方の原子だけが電子対を提供する)が通常の共有結合と異なるだけで、結合が完成した後は通常の共有結合と全く区別がつかない

H₃O⁺やNH₄⁺の配位結合(単元3で既習)と同じ考え方が、金属イオンと配位子の間の結合にも当てはまる。

誤:錯イオンの配位子になれるのは、NH₃のような分子だけである正:OH⁻・CN⁻・Cl⁻・S₂O₃²⁻のような陰イオンも、孤立電子対を持っていれば配位子として金属イオンに配位結合できる

配位子の条件は「孤立電子対を持つこと」であり、分子か陰イオンかは関係ない。

💡 なぜ金属イオンに配位子がくっつくのか? 遷移金属イオンは、電子が入っていない(または部分的にしか入っていない)空のd軌道を持っている。一方、NH₃やCN⁻などの配位子は、他の原子と共有していない孤立電子対を持つ。この孤立電子対が、金属イオンの空軌道に入り込むことで結合が形成される(これが配位結合)。金属イオン側が電子対を「受け取る」立場になる点が、通常の共有結合(両方の原子が電子を1個ずつ出し合う)と異なる。

🎯 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 ★ 金属イオンの色

銅(II)イオン Cu²⁺ をふくむ水溶液の色はどれか。

ア無色
イ青色
ウ黄褐色
エ緑色

答えを見る

答えイ

Fe²⁺ は淡緑色、Fe³⁺ は黄褐色、Zn²⁺ と Ag⁺ は無色。

問2 ★ 錯イオン

金属イオンに、分子やイオン（配位子）が配位結合してできたイオンを何というか。

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答え錯イオン

[Cu(NH₃)₄]²⁺ や [Ag(NH₃)₂]⁺ などがある。

問3 ★★ 配位数

錯イオン [Cu(NH₃)₄]²⁺ の配位数はいくつか。

答えを見る

答え4

配位数は、金属イオンに結合している配位子の数。

問4 ★★ 錯イオンの形

錯イオン [Ag(NH₃)₂]⁺ の形はどれか。

ア直線形
イ正四面体形
ウ正八面体形

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答えア

配位数2の錯イオンは直線形。

問5 ★★ 製鉄の量的関係

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ の反応で、酸化鉄(III) Fe₂O₃ 160 g から得られる鉄は何gか。Fe₂O₃ の式量は160、鉄の原子量は56とする。

答えを見る

答え112 g

Fe₂O₃ 1 mol から Fe が 2 mol できる。2 × 56。

問6 ★★★ 錯イオン中の金属の酸化数

錯イオン [Fe(CN)₆]³⁻ にふくまれる鉄の酸化数はいくつか。配位子は CN⁻ である。

答えを見る

答え+3

Fe + (−1) × 6 = −3。

✅ この単元のまとめ

遷移金属：複数の酸化数・有色イオン・錯イオン形成・触媒作用
Fe²⁺：淡緑色；Fe³⁺：黄褐色；Cu²⁺：青色；Ag⁺：無色
製鉄：高炉で Fe₂O₃ を CO で還元 → 銑鉄 → 転炉で鋼
銅の精錬：電解精錬（粗銅→純銅）
錯イオン：金属イオン + 配位子（NH₃, CN⁻, OH⁻, Cl⁻ など）が配位結合
[Cu(NH₃)₄]²⁺ 深青；[Ag(NH₃)₂]⁺ 銀イオンの溶解;[Zn(OH)₄]²⁻ 過剰 NaOH で Zn 溶解

前：典型金属元素次：無機イオンの系統分析

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