問1
★
沈殿反応
次のイオンのうち、希塩酸を加えると白色の沈殿を生じるものはどれか。
- アNa⁺
- イAg⁺
- ウCu²⁺
- エZn²⁺
答えを見る
答えイ
Ag⁺ と Pb²⁺ は、Cl⁻ と白色の沈殿（AgCl、PbCl₂）をつくる。
高校化学
Unit 15
無機イオンの系統分析
AgCl は白、Fe(OH)₃ は赤褐…沈殿の色で何が入っているか分かる！系統分析の流れで無機イオン検出を完全理解。
🔍 沈殿反応🎨 イオンの色📊 系統分析
1
沈殿反応とイオン検出
刑事ドラマの科学捜査のように、化学の世界にも「未知の水溶液に何が溶けているかを突き止める」実験手法がある。その基本になるのが沈殿反応だ。特定の試薬を加えたときに、色のついた沈殿(白い粉、赤褐色のかたまりなど)ができるかどうかで、溶液に含まれるイオンの正体を絞り込むことができる。
例えば、塩酸を加えて白い沈殿ができれば銀イオン(Ag⁺)や鉛イオン(Pb²⁺)が疑われる、というように、試薬と沈殿の色の組み合わせをパターンとして覚えておくと、化学探偵のように水溶液の中身を推理できるようになる。
無機化学の実験では、特定の試薬を加えたときの沈殿の生成・色によって含まれるイオンを特定する。よく出る沈殿の組み合わせを色と一緒に覚えておくことが重要。
🔍 代表的な沈殿と色
| 試薬 | 加えたイオン | 沈殿・色 |
|---|---|---|
| Cl⁻（塩酸など） | Ag⁺, Pb²⁺ | AgCl（白）・PbCl₂（白，熱で溶解） |
| SO₄²⁻（硫酸） | Ba²⁺, Pb²⁺, Ca²⁺ | BaSO₄（白）・PbSO₄（白）・CaSO₄（白，溶けにくい） |
| OH⁻（水酸化ナトリウム） | Fe³⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Al³⁺, Zn²⁺ | Fe(OH)₃（赤褐）, Fe(OH)₂（緑白）, Cu(OH)₂（青白）, Al(OH)₃（白，過剰NaOHで溶ける）, Zn(OH)₂（白，過剰で溶ける） |
| NH₃ 水（過剰） | Cu²⁺, Ag⁺, Zn²⁺ | Cu(OH)₂（青白）→過剰で[Cu(NH₃)₄]²⁺（深青）；Ag⁺ → [Ag(NH₃)₂]⁺（溶解）；Zn(OH)₂ → [Zn(NH₃)₄]²⁺（溶解） |
| CO₃²⁻（炭酸ナトリウム） | Ca²⁺, Ba²⁺ | CaCO₃（白）, BaCO₃（白） |
| K₄[Fe(CN)₆] | Fe³⁺ | 濃青色（紺青・ベルリンブルー） |
❌ よくある誤解
誤:Al(OH)₃やZn(OH)₂の白い沈殿は、NaOHをどれだけ加えても溶けずに残り続ける
正:AlやZnは両性金属(単元13)由来のイオンであるため、NaOHを過剰に加えると[Al(OH)₄]⁻や[Zn(OH)₄]²⁻という錯イオンになって沈殿が溶解する
「少量のNaOHでは沈殿、過剰のNaOHでは溶解」という2段階の変化がAl³⁺・Zn²⁺で共通して見られる。Fe³⁺やCu²⁺は過剰NaOHでも沈殿のまま残る点と対比して覚える。
誤:同じ沈殿の色(例えば「白色沈殿」)であれば、どのイオンが含まれているか区別できない
正:沈殿の色だけでなく「どの試薬で沈殿するか」「過剰試薬で溶けるか」「熱水で溶けるか」などの追加情報を組み合わせることで、同じ色の沈殿でもイオンを特定できる
例えばAgClとPbCl₂はどちらも白色沈殿だが、PbCl₂は熱水に溶けるがAgClは溶けない、という違いで区別できる。
💡 なぜ特定のイオンの組み合わせだけ沈殿ができるのか?
沈殿ができるかどうかは、その化合物の溶解度積Ksp(単元10)の大きさで決まる。イオン積(実際に混ぜたときの濃度の積)がKspより大きくなると、それ以上イオンのまま水中に存在できなくなり、固体として析出する。AgClやBaSO₄のようにKspが極めて小さい(溶けにくい)組み合わせでは、ごくわずかな濃度のイオンを混ぜただけでも沈殿が生じるため、微量のイオンの検出に利用できる。
Fe³⁺の検出に使われるKSCN(チオシアン酸カリウム)との反応は、[Fe(SCN)]²⁺という血赤色の錯イオンを生成する非常に鋭敏な呈色反応で、ごく微量のFe³⁺でも検出できる。このように特定のイオンに特異的に反応する試薬(呈色試薬)を組み合わせることで、系統分析の精度と効率を高めることができる。大学範囲・分析化学
🎯 入試での問われ方
複数の金属イオンを含む混合水溶液に順番に試薬を加えていく実験の記述から、生成する沈殿の色・化学式を答えさせる問題が頻出。「どの段階でどのイオンが分離されるか」を時系列で追う思考力が問われる。
2
金属イオンの系統分析
いろいろな金属イオンが混ざった水溶液から、1つ1つのイオンを見分けるには、まとめて一気に判定するのではなく、試薬を順番に加えて少しずつグループを絞り込んでいく方法が効率的だ。これを系統分析という。
健康診断で「まず血液検査で異常があるかを大まかにチェックし、異常があれば詳しい検査に進む」というように、段階を踏んで絞り込んでいくやり方に似ている。
混合溶液に含まれる金属イオンを段階的に分離・確認する手法を系統分析という。グループ（族）ごとに試薬を加えて沈殿を分け、最終的に各イオンを同定する。
図2：金属イオン系統分析の概略。試薬を段階的に加えてイオンを分離・同定する。実際の手順では H₂S, NaOH 処理など複数工程が続く。
📋 炎色反応でのイオン確認
Li⁺：赤 / Na⁺：黄 / K⁺：赤紫 / Ca²⁺：橙赤 / Sr²⁺：深紅 / Ba²⁺：黄緑 / Cu²⁺：青緑
❌ よくある誤解
誤:系統分析の各段階は、どの順番で試薬を加えても同じ結果が得られる
正:系統分析は、各段階の試薬が特定のイオンのグループだけを選択的に沈殿させるように順序が決められており、順番を変えると意図した分離ができなくなる
①Cl⁻で沈殿するのはAg⁺・Pb²⁺だけなので、これを先に除いてから②以降に進む、という順序には理由がある。
誤:1回の試薬添加で必ず1種類のイオンだけが分離される
正:1回の試薬添加で複数のイオンが同時に沈殿することが多く(例:①でAg⁺とPb²⁺が同時に沈殿)、その沈殿の中からさらに追加の試薬でイオンを区別していく
系統分析は「グループ分け→グループ内でさらに区別」という2段階以上の絞り込みで最終的に単一のイオンを特定する。
💡 なぜ試薬を「順番に」加える必要があるのか?
もし全ての試薬を一度に加えてしまうと、複数の沈殿が入り混じってしまい、どの沈殿がどのイオンに由来するのか区別できなくなる。試薬を1種類ずつ順番に加え、そのたびに生じた沈殿をろ過して取り除いていくことで、残った溶液(ろ液)には特定のイオンのグループが含まれなくなる。この「引き算」を繰り返すことで、最終的に個々のイオンを特定できる状態まで絞り込んでいく。
本格的な定性分析では、①塩酸で沈殿する族(Ag, Pb)②硫化水素(酸性)で沈殿する族(Cu, Cd, Snなど)③水酸化物・硫化水素(塩基性)で沈殿する族(Fe, Al, Znなど)④炭酸塩で沈殿する族(Ca, Ba)⑤アルカリ金属・アンモニウムの5〜6グループに系統的に分類する手法が伝統的に用いられてきた(現在は機器分析が主流)。大学範囲・分析化学史
🎯 入試での問われ方
系統分析のフローチャートの空欄補充問題(どの試薬でどのイオンが分離されるか)が頻出。錯イオン形成(単元14)・沈殿の溶解度積(単元10)・炎色反応など、複数単元を横断する総合問題として出題されることが多い。
🎯 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2
★
沈殿の色
Fe³⁺ をふくむ水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加えると、Fe(OH)₃ の沈殿ができる。この沈殿は何色か。
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答え赤褐色
Fe(OH)₂ は緑白色、Cu(OH)₂ は青白色。
問3
★★
過剰の水酸化ナトリウム水溶液
次のイオンのうち、水酸化ナトリウム水溶液を少量加えると沈殿を生じ、さらに過剰に加えるとその沈殿がとけるものはどれか。
- アFe³⁺
- イCu²⁺
- ウAl³⁺
答えを見る
答えウ
Al(OH)₃ と Zn(OH)₂ は、過剰の NaOH 水溶液にとける。
問4
★★
沈殿反応
次のイオンのうち、希硫酸を加えると白色の沈殿を生じるものはどれか。
- アBa²⁺
- イNa⁺
- ウZn²⁺
答えを見る
答えア
Ba²⁺、Pb²⁺、Ca²⁺ は、SO₄²⁻ と白色の沈殿をつくる。
問5
★★
錯イオンの生成
Cu²⁺ をふくむ水溶液に過剰のアンモニア水を加えると、深青色の水溶液になる。このとき生じている錯イオンを化学式で答えよ。
答えを見る
答え[Cu(NH₃)₄]²⁺
テトラアンミン銅(II)イオン。
問6
★★★
イオンの推定
Ag⁺、Cu²⁺、Fe³⁺ のうち1種類だけをふくむ水溶液がある。この水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加えると青白色の沈殿が生じ、別にとった水溶液に過剰のアンモニア水を加えると深青色の水溶液になった。ふくまれているイオンはどれか。
答えを見る
答えCu²⁺
青白色の沈殿は Cu(OH)₂、深青色の水溶液は [Cu(NH₃)₄]²⁺。
✅ この単元のまとめ
- AgCl 白・BaSO₄ 白・Fe(OH)₃ 赤褐・Cu(OH)₂ 青白は頻出沈殿
- Ag⁺ の確認：Cl⁻（AgCl 白沈）→ NH₃ 水で溶解（錯イオン形成）
- Fe³⁺ の確認：KSCN で血赤色（チオシアン酸鉄(III)）
- Fe²⁺ の確認：K₃[Fe(CN)₆] でターンブルブルー
- Cu²⁺ の確認：NH₃ 過剰で深青色錯イオン [Cu(NH₃)₄]²⁺
- Al³⁺・Zn²⁺：少量NaOHで沈殿→過剰NaOHで錯イオンとなり溶解
- 炎色反応：Na⁺ 黄・K⁺ 赤紫・Ca²⁺ 橙赤・Ba²⁺ 黄緑・Cu²⁺ 青緑
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