身の回りの化学(用途・材料)　Zn、Sn、Pb編

今日は、身の回りの化学(用途・材料)　Zn、Sn、Pb編についてです。

センター試験は特に時間が勝負なので、あるキーワードに対して
いくつかの関連用語が条件反射的にイメージできるようになることが重要です。

そこで、用途や材料に関するテーマで
入試問題をデータベースソフトで徹底的に調べ上げ、「用途・材料のキーワード」に対する条件反射的に思い浮かべてほしい「物質」をまとめました。

鉛とスズは、ともに周期表の14族に属し、同じ族の炭素C、ケイ素Siは非金属元素ですが、鉛とスズは、金属元素に分類されます。
最外殻電子の数は４個で、ともに２価と４価の陽イオンをつくり、亜鉛と同様に両性元素です。

亜鉛Znは12族に属し、２個の最外殻電子をもち、２価の陽イオンになりやすいという特性があります。
いずれも典型元素で金属元素に分類されますが、周期表上で非金属元素と金属元素の境界線付近に位置し、非金属元素の性質も少し持つため両性元素とよばれています。

それでは用途について見ていきましょう。

乾電池の電極の負極、真鍮(黄銅)、洋白(洋銀)、トタン……亜鉛Zn
※鉄Feを亜鉛Znでめっきしたものはトタンとよばれます。
500円硬貨は、銅と亜鉛ZnとニッケルNiとの合金である洋白(洋銀)が用いられています。

白色顔料、医薬品、化粧品……酸化亜鉛ZnO
※酸化亜鉛は亜鉛華ともよばれ、水に難溶な塩で白色顔料や医薬品、化粧品などに用いられます。

☆顔料は次の３つを覚えましょう！
CdS、PbCrO4 ……… 黄色顔料
ZnO、BaSO4 ……… 白色顔料
Fe2O3 ……………… 赤色顔料

青銅、ブリキ、はんだ……スズSn、
※青銅は銅とスズの合金で、鉄FeをスズSnでめっきしたものはブリキとよばれています。

※トタンとブリキでは、傷がついていないときは、表面はトタンのほうがブリキよりも腐食されやすくなります。これは、亜鉛の方がスズよりもイオン化傾向が大きい(陽イオンとなって溶けやすい)ためです。
しかし、表面に傷がついて下地の鉄が露出したときには、鉄はブリキのほうがトタンよりも腐食されやすくなります。
これは、トタンの場合、鉄に比べて亜鉛の方がイオン化傾向が大きいため、傷がついても亜鉛が優先的に酸化され、鉄の腐食が防がれますが、ブリキの場合、鉄に比べてスズの方がイオン化傾向が小さいため、傷がつくと鉄が優先的に酸化(陽イオンとなって溶ける)されてしまうためです。

鉛蓄電池、はんだ、X線遮蔽材…鉛Pb
※鉛とスズの合金は融点が低く、はんだとして電子部品における金属の接続などに用いられています。

以下は、用途・材料に関して出題された問題です。
　

■2009 北海道大学医　工　獣医　水産　農　薬　理
　
単体のスズには，金属スズ，灰色スズなど，同じスズの単体であるにもかかわらず，性質の異なる　(ア)　が存在する。亜鉛やスズは鋼板のめっきに使用される。亜鉛をめっきした鋼板をトタン，スズをめっきした鋼板をブリキという。トタンでは表面に傷がつき，鉄が露出しても，亜鉛が内部の鉄の腐食を防止するのに対し，(1)ブリキでは鉄が露出すると，鉄の腐食が促進される。

問１　上の文の空欄　(ｱ)　に適する語句または数字を入れよ。
問２　下線部(1)について，内部の鉄の腐食が促進される理由を20字以上30字以内で述べよ。

答え……
問１
(ｱ)　　同素体
問２
スズよりも鉄の方がイオン化されやすく，酸化されやすいため。

■2012 慶應義塾大学理工

(1)　亜鉛は、　(ｱ)　との合金である真鍮(しんちゅう)の成分として、きわめて古くから利用されている金属元素である。
　亜鉛は、マンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池などの　(イ)　として利用されている。また、自動車の車体や建材などに用いられている亜鉛めっき鋼板(トタン)がさびにくいのは、亜鉛のイオン化傾向が鉄よりも　(ウ)　からである。

答え……
(ア)銅
(イ)　負極(活物質) [還元剤]
(ウ)　大きい

■　防衛大学校理工学

亜鉛と銅の合金は　A　の名称で知られ、金に似た光沢をもち、加工性がよいために金管楽器などに用いられている。

問　　A　に当てはまる最も適切な語句または数値を記せ。

答え…
A　真鍮(黄銅)

■2009 北海道大学医　工　獣医　水産　農　薬　理

　典型元素である亜鉛，アルミニウム，スズおよび鉛は，酸とも塩基とも反応する性質をもつ　(ｱ)　元素として知られている。一般に，これらの金属の酸化物および水酸化物も金属単体と同様に　(ｱ)　を示す。たとえば，　(ｲ)　色の顔料として用いられる酸化亜鉛は，塩酸にも水酸化ナトリウム水溶液にも反応して溶ける。また，(2)水酸化亜鉛は過剰のアンモニア水に溶ける。

問　上の文の空欄　(ｱ)　～　(イ)　に適する語句または数字を入れよ。

答え……
(ｱ)　両性
(ｲ)　白

■2012年　国士舘大学　理工　一部改

問　下記の記述は，亜鉛とその化合物についてあらわしたものである。間違っているものはそれぞれどれか。
①　酸化亜鉛ZnOは，白色粉末で，顔料として塗料や絵の具の原料に用いられている。
②　亜鉛イオンZn2＋を含む水溶液に塩基を加えると，白色の水酸化亜鉛Zn(OH)2が沈殿する。この沈殿物は，両性水酸化物で，酸あるいは強塩基の水溶液にも溶ける。
③　ダニエル電池は，負極には銅板，正極には亜鉛板を用いている。
④　亜鉛を主体とする合金は，30～45％の銅を含むものが白銅といわれ，白色光沢を示している。この合金は50円硬貨として使われている。

答え……
③　正極には銅板，負極には亜鉛板
④　白銅は銅75％、ニッケル25％

■ 2010 長崎大学医　教育　工　歯　水産　薬　環境科

　日常のさまざまな場面で，電池は私たちの文明生活を支えている。一次電池に分類されるマンガン乾電池やアルカリ乾電池の起電力は，およそ　ア　Vである。一方，自動車などに多用される鉛蓄電池は充電可能な二次電池である。この鉛蓄電池では，正極に　イ　，負極にPb，電解液に約30％の　ウ　が使用されている。
　鉛蓄電池に使われている鉛の単体は，青灰色(青白色)の金属で，比較的融点が低い。また，鉛は酸にも塩基にも反応するので　エ　元素と呼ばれる。　エ　元素は鉛の他にも，　オ　，アルミニウム，亜鉛などがある。また，鉛と　オ　の合金は融点が低く，はんだとして電子部品における金属の接続などに用いられている。

問　文章Ⅰ中の　ア　～　オ　に適切な語句，化学式または数値を記せ。

答え…
ア　1.5
イ　PbO2 [酸化鉛]
ウ　(希)硫酸 [H2SO4]
エ　両性(金属)
オ　スズ [Sn]

■2013 奈良県立医科大学医 (問題文のみ)

　人類が生活を豊かにするために利用してきた金属の1つに鉛がある。単体の鉛は密度が大きく、軟らかくて加工が容易な金属である。また、耐酸性の必要な管や、蓄電池の電極などに用いられている。さらに、X線などの放射線を吸収する能力が大きいため、X線装置などの遮蔽(しゃへい)物質としても用いられる。

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