高校化学 水素と貴ガス

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水素

水素は、単体として宇宙で最も多く存在する元素である。地球上では水 H₂O として最も多く存在する。単体 H₂ は常温常圧で無色無臭の気体である。

製法

工業的には、石油や天然ガスを高温水蒸気と反応させて、得られる。他には、純粋な水素を作る場合は、水を電気分解する。

実験室では、塩酸や希硫酸などの強酸に、亜鉛などの金属を加える。水素は水に溶けにくいため、水上置換で捕集する。

主な性質・反応

• 空気中で容易に燃焼し、水になる。酸素との混合気体は爆発的に燃焼する。

  2H₂ + O₂ → 2H₂O

• 高温では還元性をもち、高温で金属などの酸化物を還元する。

  CuO + H₂ → Cu + H₂O

水素は、アンモニア、塩化水素、メタノールなどの原料である。

貴ガス

貴ガス(noble gas)は、18族元素のヘリウム He, ネオン Ne, アルゴン Ar, クリプトン Kr, キセノン Xe, ラドン Rn の総称である。

18族元素は価電子をもたないため、他の原子と結合したり、イオンになることがほとんどない。したがって、化学反応を起こして化合物となることがほとんどない。また、単体の気体として、原子1個で1つの分子を形成している。このような分子を単原子分子と呼ぶ。

貴ガスには次のような物質がある。これらはいずれも無色無臭で、常温常圧で気体である。また、いずれも融点および沸点が低い。

• ヘリウム （He）: 風船や飛行船を浮かせるために用いられる。また、すべての物質の中で、融点がもっとも低いので、超伝導など極低温の実験のさいの冷媒に液体ヘリウムが用いられる。
• ネオン （Ne）: ネオンサインなどに用いられる。
• アルゴン （Ar）: 溶接するときの酸化防止ガスに用いられる。空気中に0.93%存在する。
• クリプトン （Kr）: 電球などに用いられる。
• キセノン（Xe）: カメラのストロボなどに用いられる。
• ラドン （Rn）: 放射能があり、放射線治療などに用いられる。

ヘリウム	ネオン	アルゴン	クリプトン	キセノン

貴ガスは原子単体で安定なため、普通は化合物にならない。貴ガスに圧力を低くしてガラス管に封入し電圧をかけることで、それぞれ異なった色の光を放つ。そのため、電球やネオンサインとして用いられるものが多い。

ヘリウム	ネオン	アルゴン	クリプトン	キセノン

※ 範囲外:

エキシマ

アルゴン気体とフッ素気体をつめた放電管に放電をすると、不安定なアルゴンフッ素 ArF (エキシマ)が一時的に生成し、それが分解する際に波長197nmの紫外線を放出する。

この光は、半導体製造の際の光化学反応の光源に使われている。また、キセノンでもハロゲンとのエキシマによってレーザー光が放出されることが知られている。

貴ガスの化合物

貴ガスは、反応性が低く化合物を作らないと考えられていたが、1960年代に、${\ce {XePtF6}}$ や ${\ce {XeF4}}$ などキセノンの化合物の合成に成功した。その後も貴ガスの化合物は合成されたが、ネオンの化合物は未だ合成に成功していない。

キセノンとフッ素ガスを混合した気体に放電または熱を加えてできた、二フッ化キセノン XeF₂ や四フッ化キセノン XeF₄ や六フッ化キセノン XeF₆ の固体は無色である。