答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　元の問題へ　　


問1

　(i)の答　　 カルシウム Ca(g) の第一イオン化エンタルピー変化


　上に与えられているBorn-Haber サイクル中の�A→�Bを考慮すると,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ca(g) → Ca(g)⁺ + e^-　　ΔH₂

　この式中において, ΔH₂値はカルシウム Ca(g) の第一イオン化エンタルピー変化をあらわしている。


　(ii)の答　　 マグネシウムの方が大きい。


　(iii)の答

　Mg(g)の原子核からの3s副殻の距離はCa(g)の4s副殻のものより短い。そこでMg(g)での3s副殻中の1個の電子とその核間の引きあう力はより強いので, Mg(g)中の電子の除去に必要な第一イオン化エネルギーはより大きくなる。


　マグネシウムMgとカルシウムCaの電子構造は次のように表される ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　₁₂Mg ： [Ne]3s²

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　₂₀Ca ： [Ar]4s²

　マグネシウムの第一イオン化反応は

　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 　　　　　Mg(g) → Mg⁺(g) + e^-　…(1)

　であるが, カルシウムの第一イオン化エネルギーでは

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 　　Ca(g) → Ca⁺(g) + e^-　…(2)
　である。

　反応(1)において, 3s副殻中の最外殻電子1個が, 1個の孤立原子 Ma(g) から除去される。そして, Ca(g)の反応(2)においては, 4s副殻中の最外殻電子1個が除去される。

　Mg(g)の原子核からの3s副殻の距離をCa(g)の4s副殻のものと比較すると, 前者が後者より短い。結果として, Mg(g)中の1個の電子を除去するのに必要な第一イオン化エネルギーは, その電子と核との間の引力はより強くなるために, より大きい。　かくして, Mg(g)の第一イオン化エンタルピー変化はCa(g)のものよりも大きくなる。


Q1

　Answer of (i)　　　The first ionization enthalpy change of calcium Ca(g)


　Consider �A→�B in a Born-Haber cycle given above,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ca(g) → Ca(g)⁺ + e^-　　ΔH₂.

　In this equation, the value of ΔH₂ represents the first ionization enthalpy change of Ca(g).


　Answer of (ii)　　　Larger for magnesium.


　Answer of (iii)　

　The distance of 3s subshell of Mg(g) from the atomic nucleus is shorter than that of 4s subshell of Ca(g). So as the attractive force between an electron of 3s subshell and the nucleus for Mg(g) is stronger, the first ionization energy required to remove the electron in Mg(g) becomes larger.


　The electronic structures of magnesium, Mg, and calcium, Ca, are shown as follows ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　₁₂Mg ： [Ne]3s²

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　₂₀Ca ： [Ar]4s²

　The first ionization reaction of magnesium is

　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 　　　　　Mg(g) → Mg⁺(g) + e^-　…(1),

　whereas the first ionization reaction of calcium is

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　 　　Ca(g) → Ca⁺(g) + e^-　…(2).

　In the reaction (1), an outermost electron in the 3s subshell is removed from an isolated atom Mg(g). And, in the reaction (2) for Ca(g), an outermost electron in the 4s subshell is removed.

　Compared the distance of 3s subshell of Mg(g) from the atomic nucleus with that of 4s subshell of Ca(g). The former is shorter than the latter. As the result, the first ionization energy required to remove an electron in Mg(g) is greater, in order that the attractive force between the electron and the nucleus is stronger. Thus the first ionization enthalpy change of Mg(g) becomes larger than that of Ca(g).


問2

　(i)の答　　カルシウムイオン ：

　炎色反応試験を次のステップで試行する。

1　二クロムまたは白金線を濃塩酸に浸け, そして無色の発光ブンゼン炎中へ置く。

2　そのワイヤーが炎中にあるとき色が全く生じなくなるまで洗浄プロセスを続ける。

3　そのワイヤーを濃塩酸でしめらせ, 塩化カルシウム水溶液に浸け, そして再び炎中に保持する。

4　観察される色(レンガの赤)をチェックする。


[炎色反応試験]
　I族とII族(ベリリウムとマグネシウムを除く)でのs-ブロック元素は炎色試験によって確認される。その未知化合物は炎の中で蒸発し, その原子中の電子が燃焼気体からのエネルギーによってより高い軌道へ増幅される。

　そのとき励起された原子はエネルギーを失いより低いエネルギーレベルへ電子遷移を行い, 余分のエネルギーを電磁放射の形で放出する。

　ほとんどのs-ブロック元素の場合, この放射線の振動数は可視領域になる。その電子遷移は各元素で異なり, そこで未知化合物中のs-ブロック元素が炎の色で確認される。

　I族金属での特徴あるその色は：
　●リチウム：レンガの赤　●ナトリウム：黄　●カリウム：薄紫　●ルビジウム：深い赤　●セシウム：空の青色,

　そして, II族金属のいくつかは：
　●カルシウム：レンガの赤　●ストロンチウム：深紅　●バリウム：黄緑

[操作]
　炎色試験を施行する操作は次のステップを含む ：

1　二クロムまたは白金線を濃塩酸に浸け, そして無色の発光ブンゼン炎中へ置く。
2　そのワイヤーが炎中にあるとき色が全く生じなくなるまで洗浄プロセスを続ける。
3　そのワイヤーを濃塩酸でしめらせ, 未知化合物に浸け, そして再び炎中に保持する。
4　リストを参照して, 観察される色をチェックする。


　(ii)の答　　塩化物イオン ：

　塩化物は溶液に酸性硝酸銀を加え生成される沈殿物の色を観察することによって確認されうる。その沈殿物 AgCl の色は白である。さらに, アンモニア水溶液がこの沈殿物に加えられるときその沈殿物は錯イオン[Ag(NH₃)₂]⁺として溶解する。


[ハロゲン化物イオンでの化学試験]
　ハロゲン化銀は塩化物, 臭化物, およびヨウ化物イオンを確認するのに使用される。これらのハロゲン化物は溶液に酸性硝酸銀を加え生成される沈殿物の色を観察することによって確認されうる。

　フッ化銀は溶解しその溶液は無色で, そこでフッ化物イオンはその試験によって確認することはできない。しかしながら, 塩化銀, 臭化銀, およびヨウ化銀は水に不溶で沈殿する。その沈殿物の色は次のようになる ：

●　塩化銀は白色
●　臭化銀はクリーム色
●　ヨウ化銀は黄色

　例として, 塩化物の沈殿でのイオン式は,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ag⁺(aq) + Cl^-(aq) → AgCl(s)

　さらに, 確認はアンモニア水溶液がこれらの沈殿物に加えられるときの挙動を観察することによって得られる ：

●　塩化銀は希アンモニア水溶液で溶解する。
●　臭化銀は濃アンモニア水溶液で溶解する。
●　ヨウ化銀は希と濃の両方のアンモニア水溶液で沈殿物として残る。

　実際には, 沈殿物は単に溶けて水溶イオン Ag⁺(aq) と X^-(aq) を与えるのではない。起るのは錯イオンが銀イオンとアンモニアとの間に形成されることである ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　AgCl(s) + 2NH₃(aq) → [Ag(NH₃)₂]⁺(aq) + Cl^-(aq)

　また, 臭化物およびヨウ化物イオンは濃硫酸との反応から確認されうることを記憶にとどめること。


Q2

　Answer of (i)　calcium ions ：

　Carry out a flame test in the following steps.

1　Clean a nichrome or platinum wire by dipping it in concentrated hydrochloric acid and placing it in a non-luminous Bunsen flame.

2　Continue this cleaning process until no colour at all is produced when the wire is in the flame.

3　Moisten the wire with concentrated hydrochloric acid, dip it in a water solution of calcium chloride, and hold it in the flame again.

4　Check the colour(brick-red) observed.


[Flame reaction test]
　An s-block element for the Group I and Group II (with exceptions of beryllium and magnesium) may be identified by a flame test. The unknown compound is vaporized in a flame, and the electrons in its atoms are promoted into higher orbitals by the energy from the burning gas.

　The excited atoms then lose energy and undergo an electronic transition to a lower energy level, giving off the extra energy in the form of electromagnetic radiation.

　In the case of most s-block elements, the frequency of this radiation falls in the visible region. The electronic transitions are different for each element, so an s-block element in the unknown compound may be identified by the colour of the flame.

　The characteristic colour for the Group I metals are ：
　●lithium : crimson-red　●sodium : yellow　●potassium : lilac　●rubidium : deep red　●cesium : sky blue,

　and some of the Group II metals also give flame colours ：
　●calcium : brick-red　●strontium : crimson　●barium : yellow-green.

[Procedure]
　The procedure for carrying out a flame test involves the following steps ：

1　Clean a nichrome or platinum wire by dipping it in concentrated hydrochloric acid and placing it in a non-luminous Bunsen flame.
2　Continue this cleaning process until no colour at all is produced when the wire is in the flame.
3　Moisten the wire with concentrated hydrochloric acid, dip it in the unknown compound, and hold it in the flame again.
4　Check the colour observed, referring the list.


　Answer of (ii)　chloride ions ：

　A chloride may be identified in a solution by adding acidified silver nitrate and observing the colour of the precipitate formed. The colour of the precipitate, AgCl, is white.
　Moreover, when dilute aqueous ammonia is added to the precipitate, its precipitate dissolves as the complex ion, [Ag(NH₃)₂]⁺.


[A chemical test for halide ions]
　The silver halides are used to identify the chloride, bromide, and iodide ions. These halides may be identified in a solution by adding acidified silver nitrate and observing the colour of the precipitate formed.

　Silver fluoride is soluble and its solution is colourless, so the fluoride ion cannot be identified by the test. Silver chloride, silver bromide, and silver iodide, however, are insoluble in water and are precipitated. The colours of the precipitates are as follows ：

●　Silver chloride is white.
●　Silver bromide is cream.
●　Silver iodide is yellow.

　The ionic equation for the precipitation of the chloride, for example, is

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ag⁺(aq) + Cl^-(aq) → AgCl(s)

　Moreover, confirmation is obtained by observing the behaviour when aqueous ammonia is added to these precipitates ：

●　Silver chloride dissolves in dilute aqueous ammonia.
●　Silver bromide dissolves in concentrated aqueous ammonia.
●　Silver iodide remains as a precipitate in both dilute and concentrated aqueous ammonia.

　Actually, the precipitate does not simply dissolve to give the aqueous ions Ag⁺(aq) and X^-(aq). What happens is that a complex ion is formed between the silver ion and ammonia ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　AgCl(s) + 2NH₃(aq) → [Ag(NH₃)₂]⁺(aq) + Cl^-(aq)

　Remember that bromide and iodide ions may also be identified from their reaction with concentrated sulphuric acid.