「高校化学 金属と合金」の版間の差分

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Kyube (トーク | 投稿記録)
一部推敲
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== 鉄(てつ)と鋼(はがね)のちがい ==
純度の高い鉄(てつ)の単体は、灰白色であり、比較的やわらかい。
 
構造材などに使われる「ステンレス」や「スチール」などは、鉄を母材としてクロムなどをふくんだ合金であり、けっして鉄の単体ではない
 
「鋼」(はがね、こう)とは、鉄(てつ)を母材とした合金のことである。
 
=== 鉄の製法 ===
鉄鉱石からの鉄の精錬では、赤鉄鉱 Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> や磁鉄鉱 Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> などの鉄鉱石を溶鉱炉でかし、コークスなどの炭素を加えて発生する一酸化炭素 CO で還元して、鉄をつくる。
 
:Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 3CO → 2Fe + 3CO<sub>2</sub>
 
また、不純物をのぞくため'''石灰石''' CaCO<sub>3</sub> を加える。石灰石によりシリカSiO<sub>2</sub>やアルミナAl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>などの脈石(岩石を構成する成分のこと。)が分離される。
このようにして高炉で得られた鉄を'''銑鉄'''(せんてつ、pig iron)という。
 
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なお、高炉の内側には、耐火性のレンガが内貼り(うちばり)してある。このレンガによって、高炉は、溶けた熱の高温に耐えられるようになっている。
 
石灰石は、鉱石中のケイ酸塩と反応し'''スラグ''' CaSiO<sub>3</sub> を形成し、する。スラグは比重が銑鉄より軽いため、スラグは銑鉄に浮かぶので、これを溶鉱炉から分離する。スラグはセメントの原料になるのでため、スラグは廃棄せず分離して回収する。
 
また、炭素や石灰石などの添加は、融点を下げる役割も有る。凝固点降下と同じ原理である。一般に混合物は融点が下がる。
48 行
鉄鉱石の還元反応は以下の反応である。
 
:<math> \mathrm{ Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2 }</math>
 
溶鉱炉内では段階的に還元し、
:<math> \mathrm{ Fe_2O_3 \rightarrow Fe_3O_4 \rightarrow FeO \rightarrow Fe } </math>
と還元していく。
 
:<math> \mathrm{ 3Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2 } </math>    [450℃]
:<math>\mathrm{ Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2 } </math>    [800℃]
:<math>\mathrm{ FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2 } </math>    [1200℃]
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鉄の赤さびは、 酸化鉄(III)Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> である。
 
鉄は希硫酸にくわえると、水素を発生して溶け、淡緑色の溶液になる。この水溶液から水を蒸発させて濃縮すると、硫酸鉄(II)七水和物FeSO<sub>4</sub>・7H<sub>2</sub>Oが得られる。
 
いっぽう、濃硝酸では、不動態となり、鉄の表面に皮膜ができて、それ以上は反応が進行しない。
 
=== 鉄(II)イオン水溶液の性質 ===
硫酸鉄(II) FeSO<sub>4</sub> などが、鉄(II)イオン Fe<sup>2+</sup> をふくむ溶液である。
 
鉄(II)イオン Fe<sup>2+</sup> をふくむ溶液に、水酸化ナトリウムなどの塩基を加えると、緑白色の水酸化鉄(II) Fe(OH)<sub>2</sub> が沈殿する。
:Fe<sup>2+</sup> + 2OH<sup>-</sup> → Fe(OH)<sub>2</sub> ↓
 
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* ヘキサシアニド鉄カリウム K[Fe(CH)<sub>6</sub>] との反応
また、鉄(II)イオン Fe<sup>2+</sup> をふくむ溶液に、ヘキサシアニド鉄カリウム K[Fe(CH)<sub>6</sub>] の水溶液をくわえると、濃青色の沈殿が生じる。このときの濃青色の沈殿は、「ターンブル ブルー」(「ターンブル青」ともいう、Turnbull's blue)と呼ばれる。
 
=== 鉄(III)イオン水溶液の性質 ===
鉄に塩酸をくわえると、黄褐色の塩化鉄(II) FeCl<sub>2</sub> の水溶液になる。さらに、この塩化鉄(II)溶液に、塩素を通じて酸化すると塩化鉄(III) FeCl<sub>3</sub> の溶液になる。
 
 
この塩化鉄(III)の水溶液が、鉄(III)イオン Fe<sup>3+</sup> をふくんでいる。なお、塩化鉄(III) FeCl<sub>3</sub> の水溶液から水を蒸発させて濃縮すると、塩化鉄・六水和物 FeCl<sub>3</sub>・6H<sub>2</sub>O の結晶が得られる。
 
 
さて、塩化鉄の水溶液に、塩基をくわえると、赤褐色の水酸化鉄(III) Fe(OH)<sub>3</sub> の沈殿が生じる。
:Fe<sup>3+</sup> + 3OH<sup>-</sup> → Fe(OH)<sub>3</sub> ↓
 
* ヘキサシアニド鉄カリウム K[Fe(CH)<sub>6</sub>] との反応
また、鉄(III)イオン Fe<sup>3+</sup> をふくむ溶液に、ヘキサシアニド鉄カリウム K[Fe(CH)<sub>6</sub>] の水溶液をくわえると、「紺青」(こんじょう)と呼ばれる濃青色の沈殿が生じる。
 
* チオシアン酸カリウムKSCNとの反応
Fe<sup>3+</sup> をふくむ溶液に、チオシアン酸カリウム KSCN をふくむ溶液をくわえると、血赤色の沈殿を生じる。
 
== 強磁性体 ==
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鉄 Fe 、ニッケル Ni 、コバルト Co は、単体で磁性を帯びることができる金属である。
 
いっぽう一方、銅やアルミニウムは、磁化されない。
 
鉄、ニッケル、コバルトのように、磁石になることができる物質を'''強磁性体'''(きょう じせいたい)という。
 
銅の特徴として、銅は電気の伝導性がく、また熱の伝導性も良い。なお、一般に純金属の熱伝導性と電気伝導性は比例する。このため、金属中の電子(自由電子)が、その金属内で熱を伝える作用があるという説が、定説である。
 
== 銅 ==
126 行
銅はイオン化傾向が水より小さいため、酸には侵されにくいが、硝酸など酸化力の強い酸には侵される。酸化作用の強い酸には、硝酸のほか、熱濃硫酸がある。
 
銅は、しめ湿った空気中で、緑色の さび である'''緑青'''(ろくしょう)を生じる。
 
=== 銅の精錬 ===
157 行
亜鉛との合金である黄銅、スズとの合金である青銅、ニッケルとの合金である白銅など、銅は合金としても、よく用いられる。
 
なお、一般に、金属は合金化によって硬さを増し、そのぶん展性・延性などは減る。
 
銅の合金も同様に、単体よりも硬いが、展性・延性などは減っている。
237 行
 
アルミニウムやマグネシウムなどのように酸化物からの精錬に手間が掛かる材料は、裏を返せば、アルミナやマグネシアのように酸化物はセラミックスとして安定した性質を持っているということでもある。
 
 
== 合金 ==
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:組成:Cu=60%~70%,Zn=10%~40%
 
:銅Cuが60%程度で亜鉛Znが40%程度の黄銅を六四黄銅(ろくよんおうどう)という。銅Cuが70%程度で、亜鉛Znが30%程度の黄銅を七黄銅(ななよしちさんおうどう)という。
 
:合金化により硬くなり、強度が高まる。色は黄色い。[[w:ブラスバンド]]の「ブラス」とは黄銅(brass)のことである。真鍮(しんちゅう)ともいう。
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== その他の合金 ==
=== 水素吸蔵合金 ===
ランタン-ニッケル合金やチタン-鉄合金などは、常温で合金結晶間に水素を吸蔵する性質をもち、加熱などによって水素を掃き出す性質の合金が知られている。
自己の体積の1000倍以上もの水素を吸蔵できる合金もある。
 
ランタン-ニッケル合金を母材にした、ニッケル水素電池が実用化されており、ハイブリッド自動車で実用化されている。今後の水素自動車や燃料電池自動車などの燃料タンクとしても期待され、開発が進められている。
 
このほか、チタン鉄合金系もある。
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眼鏡フレームなどに利用されている。
 
 
=== 超伝導合金 ===
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:(※ 東京書籍とチャート式で紹介。)
 
アモルファス合金とは、結晶構造をたずに非晶質(ひしょうしつ)の合金である
 
おおまかな製法は、高温状態で柔くなった金属を急冷すると、原子が通常の結晶構造での位置に配置される前に、冷却によって金属全体が固化してしまい、通常の位置に原子が配置されない。
そのため、急冷した金属・合金のいくつかは結晶構造をもたず、通常の金属とは違った特性をもつ。
 
磁力的な性質が、異なっている場合が多い。このように、結晶をもたない金属を、アモルファス金属(amorphous metal)といい、そのような、結晶をたない合金をアモルファス合金という。
 
応用は、すでに磁気記録用ヘッドとして、(コバルトなどを含む)アモルファス合金が応用されている。
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短所として、高温での加工をしようとすると結晶化してしまうので、原理的に高温での加工ができないという、短所がある。