答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　元の問題へ　　


問1の答　　　　　　60 cm³


　Na₂O₂ のモル質量は

　　　　　　　　　　　　　　　　　2×(23.0 g/mol) + 2×(16.0 g/mol) = 78.0 g/mol

　モル質量を使用して 0.39 g のNa₂O₂ の物質量を計算すると

　　　　　　　　　　　　　　　　　0.39 g のNa₂O₂ の物質量 = 0.39/78.0 = 0.0050 mol.

　過酸化ナトリウムと二酸化炭素との反応式は ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂

　上の式を考慮すると, そこで モル比 Na₂O₂ ： O₂ は 2 ： 1 となる。 それゆえ

　　　　　　　　　　　　　　　　生成された O₂ の物質量 = 0.0050×(1/2) = 0.0025 mol.

　その酸素の体積は, 室温と圧力での気体のモル体積に対し 24 dm³/mol を取ることから, 次のようにして得られる ：

　　　　　　　　　　　　　　　　生成された酸素の体積 = (0.0025 mol)×(24 dm³/mol)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　= 0.060 dm³ = 60 cm³.


Answer of Q1　　　　　　60 cm³


　The molar mass of Na₂O₂ is

　　　　　　　　　　　　　　　　　2×(23.0 g/mol) + 2×(16.0 g/mol) = 78.0 g/mol

　Use the molar mass above to calculate the amount in moles of 0.39 g of Na₂O₂,

　　　　　　　　　 　　　　　Amount in moles of 0.39 g of Na₂O₂ = 0.39/78.0 = 0.0050 mol.

　The equation for the reaction of sodium peroxide with carbon dioxide is ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂

　Consider the equation above, and so the mole ratio Na₂O₂ ： O₂ is 2 ： 1.

　Therefore,

　　　　　　　　　　　　　　　Amount in moles of O₂ produced = 0.0050×(1/2) = 0.0025 mol.

　The volume of oxygen is obtained from taking as 24 dm³/mol for the molar volume of a gas at room temperature and pressure as follows ：

　　　　　　　　　　　　　　　Volume of oxygen produced = (0.0025 mol)×(24 dm³/mol)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　= 0.060 dm³ = 60 cm³.


問2の答　　　　　　1.51×10²¹ (有効数字3桁)


　1 モルあたりの分子数はアボガドロ定数と呼ばれ, それは 6.02×10²³ である。その定数と酸素の物質量 0.0025 mol を使用して酸素分子数を計算する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　酸素分子数 = (0.0025 mol)×(6.02×10²³ mol^-1)

　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　= 0.01505×10²³ = 1.51×10²¹ (有効数字3桁)


Answer of Q2　　　　　　1.51×10²¹ (3 sig. figs)


　The number of molecules per mole is called the Avogadro constant, L, which is 6.02×10²³. Use the constant and the amount in moles of oxygen (0.0025 mol) to calculate the number of oxygen molecules.

　　　　　　　　　　　　Number of oxygen molecules = (0.0025 mol)×(6.02×10²³ mol^-1)

　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　= 0.01505×10²³ = 1.51×10²¹ (3 sig. figs)


問3の答　　　　　　不均化反応


●　Na₂O₂ は二酸化炭素と反応して炭酸ナトリウムと酸素を生成する ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂　…(i)

　上式(i)を見ると, 反応物のその過酸化物中の Na の酸化数は +1 である (下の規則 (1)〜(3) を参照)。そこで, Na₂O₂ 中の過酸化物イオン O₂^2- の酸素は通常でない酸化数をもつ。もしそれが X であるとするならば, 次の式が成立する (規則 (3)と(4)を参照) ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2X = -2,

　ゆえに, Na₂O₂ 中の酸素の通常でない酸化数は

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　X = -1.

　違った観点から, O₂^2- 中の 2つの原子は結合してイオン ^-O-O^- を形成する。そこで酸素の酸化数は -1 である (規則 (3) を参照)。

　元素状態で生成物として酸素が存在し, そこでその酸素の酸化数はゼロである (規則(5)を参照)。また Na₂CO₃ 中の CO₃^2- の酸素は酸化数 -2 をもつ (規則 (3) と (4) を参照)。

　結果として, (i)の反応において, 反応物としての過酸化物中の酸素の酸化数は -1, 生成物としての炭酸化物中では -2, そして生成物の酸素ガスでは 0 である。その反応は関与する酸素の酸化数の変化を含む。それゆえ反応(i)は酸化還元反応である。

　これは同じ元素において酸化と還元の両方が行われる酸化還元反応である。このような反応はまた不均化反応と呼ばれている。

●　酸化数を帰属するための規則が次のように示される ：

(1)　化合物中のフッ素の酸化数は常に -1 である。フッ素は最も電気陰性のある元素(4.0)で常に結合上の電子を獲得する。

　例

　フッ化ナトリウム NaF ： フッ素の酸化数は -1 でナトリウムのそれは +1 である。

　フッ化カルシウム CaF₂ ： フッ素の酸化数の総和は 2×(-1) = -2 でカルシウムのそれは +2 である。

　フッ化水素 HF ： フッ素の酸化数は -1 で水素のそれは +1 である。

(2)　各電子対の割当てはより多くの電気陰性元素に帰属される。

　例

　臭化水素 HBr ： 臭素は水素よりも多くの電気陰性, 2.8>2.1, である。そこで臭素の酸化数は -1 であり水素のそれは +1 である。

　四塩化炭素 CCl₄ ： 塩素は炭素よりも多くの電気陰性, 3.0>2.5, である。そこで塩素の酸化数は -1 であり炭素のそれは +4 である。

(3)　化合物中の酸素の酸化数は通常 -2 である。ただし, フッ素が存在するか, あるいは過酸化物や超酸化物のような普通でない化合物を除く。

　例

　二酸化窒素 NO₂ ： 酸素の酸化数は -2 で窒素のそれは +4 である。

　酸化ナトリウム Na₂O ： 酸素の酸化数は -2 でナトリウムのそれは +1 である。

　[異質化合物]

　二フッ化酸素 OF₂ ： 酸素の酸化数は +2 でフッ素のそれは -1 である。

　過酸化水素 H₂O₂ ： 酸素の酸化数は -1 で水素のそれは +1 である。

　超酸化カリウム KO₂ ： 酸素の酸化数は同時に -1 と 0 で, カリウムのそれは +1 である。

(4)　どんな化学種でもその中の全原子の酸化数の和はその種の上の電荷と等しくなければならない。原子あるいは分子ではその和はゼロである。イオンではその和はイオン上の電荷である。

　例

　二酸化硫黄 SO₂ ： 分子中の酸素原子の全ての酸化数は 2×(-2) = -4 である。そこで元素酸化数の和がゼロであるので硫黄の酸化数は +4 になる。

　硫酸イオン SO₄^2- ： イオンの全電荷は -2 で, その元素の酸化数の和は -2 でなければならない。そのイオン中の酸素原子での酸化数の総和は 4×(-2) = -8 である。その酸素原子でのそれに硫黄の酸化数を加えると, その和は SO₄^2- の電荷 (e.t. -2) に等しい。

　それゆえ硫黄の酸化数は (硫酸イオン電荷：-2) - (酸素原子の酸化数総和：-8) = +6 となる。

　水 H₂O ： 酸素の酸化数は -2 である。水素原子での酸化数の総和は 2×(+1) = +2 である。それゆえ, 水分子中の元素の酸化数総和は (-2) + (+2) = 0 である。

(5)　ある相における元素の酸化数はゼロである。

　例

　金属ニッケル Ni(s), Ni(l), あるいは Ni(g) ： ニッケルの酸化数は 0 である。

　酸素気体 O₂(g) ： 酸素の酸化数は 0 である。


Answer of Q3　　　　　　　Disproportionation reaction


●　Na₂O₂ reacts with carbon dioxide to form sodium carbonate and oxygen ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂　…(i)

　Look at reaction above, (i). The oxidation number of Na in the peroxide as reactant is +1 (see rules (1) 〜 (3) below), so oxygen in the peroxide ion O₂^2- in Na₂O₂ has an unusual oxidation number. If it would be X, the following equation is formed (see rule (3) and (4))：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2X = -2,

　therefore, the unusual oxidation number of oxygen in Na₂O₂ is

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　X = -1.

　 From a different angle, two atoms in O₂^2- bond to form the ion ^-O-O^-, so the oxidation number of oxygen is -1 (see rule (3)).


　There is O₂ as product in its elemental state, so the oxidation number of oxygen is zero (see rule (5)). Also oxygen in CO₃^2- in Na₂CO₃ has the oxidation number, -2 (see rules (3) and (4)).

　As the result, in the reaction (i), the oxidation number of oxygen in the peroxide as reactant is -1, in the carbonate as product is -2, and in the oxygen gas as product is 0. Its reaction involves the change in the oxidation number of oxygen taking part. Reaction (i) is therefore a redox reaction.

　This is a redox reaction in which the same element is both oxidized and reduced. Such a reaction is also called a disproportionation reaction.

●　Rules for assigning oxidation numbers is shown as follows ：

(1)　The oxidation number of fluorine in its compounds is always -1. Fluorine is the most electronegative element(4.0) and always gains electrons on bonding.

　Example

　Sodium fluoride NaF ： Oxidation number of fluorine is -1 and that of sodium is +1.

　Calcium fluoride CaF₂ ： The sum of oxidation number of fluorine is 2×(-1) = -2 and that of calcium is +2.

　Hydrogen fluoride HF ： Oxidation number of fluorine is -1 and that of hydrogen is +1.

(2)　Each shared electron pair is assigned to the more electronegative element.

　Example

　Hydrogen bromide HBr ： Bromine is more electronegative than hydrogen, 2.8>2.1. So the oxidation number of bromine is -1 and that of hydrogen is +1.

　Carbon tetrachloride CCl₄ ： Chlorine is more electronegative than carbon, 3.0>2.5. So the oxidation number of chloride is -1 and that of carbon is +4.

(3)　The oxidation number of oxygen in its compounds is usually -2, except if fluorine is present (or in certain unusual compounds such as peroxides or superoxides).

　Example

　Nitrogen dioxide NO₂ ： Oxidation number of oxygen is -2 and that of nytrogen is +4.

　Sodium oxide Na₂O ： Oxidation number of oxygen is -2 and that of sodium is +1.

　[Unusual compounds]

　Oxygen difluoride OF₂ ： Oxidation number of oxygen is +2 and that of fluorine is -1.

　Hydrogen peroxide H₂O₂ ： Oxidation number of oxygen is -1 and that of hydrogen is +1.

　Potassium superoxide KO₂ ： Oxidation number of oxygen is -1 and 0 at the same time, and that of potassium is +1.

(4)　The sum of the oxidation numbers of all the atoms in any chemical species must equal the charge on the species. For an atom or a molecule, the sum is zero. For an ion, the sum is the charge on the ion.

　Example

　Sulfur dioxide SO₂ ： The oxidation number total for oxygen atoms in the molecule is 2×(-2) = -4. So the oxidation number of sulfur becomes +4 because the sum of the element oxidation number is zero.

　Sulfate ion SO₄^2- ： The overall charge on the ion is -2, and the sum of the element oxidation numbers must be -2. The oxidation number total for the oxygen atoms in the ion is 4×(-2) = -8. Add the oxidation number of sulfur to that for the oxygen atoms, so the sum equals to the charge (e.t. -2) on SO₄^2-.

　The oxidation number of sulfur therefore becomes (the sulfate ion charge: -2) - (the oxygen oxidation number total: -8) = +6.

　Water H₂O ： The oxidation number of oxygen is -2. The oxidation number total for hydrogen atoms is 2×(+1) = +2. The sum of the element oxidation number in water molecule therefore is (-2) + (+2) = 0.

(5)　The oxidation of an element in its state is zero.

　Example

　Metallic nickel, Ni(s), Ni(l), or Ni(g) ： Oxidation number of nickel is 0.

　Oxygen gas, O₂(g) ： Oxidation number of oxygen is 0.