ニッケルの性質

ニッケルは銀白色の金属で、展性・延性があります。
また、強い磁性があり、左の表のような物理的性質をもっています。


二ッケルは鉄と違って常温では空気中にそうとうの湿り気があってもほとんど変化しません。

熱をくわえると紅色となり、赤熱すると灰緑色の酸化第一ニッケルが表面にできさらに熱すると四三酸化二ッケルができて、暗緑色になります。

また、赤熱して水蒸気をとおすと水蒸気を分解し、水素を発生して酸化第一ニッケルとなります。

常温では塩酸や硫酸にはあまり溶けませんがうすい硝酸にはすぐ溶けます。

また、濃硝酸につけると、鉄と同じように不動態となります。
二ッケルは、酸に溶けると緑色になります。

ニッケルめっき

電気分解による電着を利用して、二ッケルめっきをすることがてきます。
めっき液は、ふつう、硫酸ニッケルと塩化二ッケルの溶液に少量のフッ化ナトリウム・ホウ酸などをくわえてつくります。

そして、陽極に二ッケルを使って電気分解すると陰極につけた金属の表面に二ッケルが析出してつきます。

ニッケルの用途

純粋な二ッケルは二ッケルめっきに使われるほかるつぼなどの器具としても使われます。

また二ッケルは合金としての用途も多く銅・亜鉛・鉄などと、いろいろな合金をつくります。

そのおもなものには、特殊鋼・囗銅・洋銀などがありそのほか、つぎのようなものがあります。

ニクロム

クロム30パーセント以下をふくむ、ニッケルとクロムの合金です。
電気抵抗が大きく、熱や酸・塩基などにも強いので電熱線・抵抗線などとして使われます。

コンスタンタン

銅を55パーセントふくむ、銅とニッケルの合金で電気抵抗が大きく、温度によって体積や長さがあまりかわらないので銅と組みあわせて、温度をはかる器具として利用します。

このほか、二ッケルは、石油精製のときの水素添加に、触媒として使われます。

コバルトの性質

コバルトは、銀白色か灰白色のつやのある金属で、展性・延性があります。
また、強い磁性があり、上の表のような物理的性質をもっています。

コバルトは空気中に、長いあいだほうっておいても表面が少しさびるだけで、たいして変化しません。
粉状のものは、空気中で熱すると、酸化されます。

また、酸には水素を発生して溶けますが濃硝酸には、鉄やニッケルと同じように不動態をつくって溶けなくなります。

コバルトの用途

コバルトは、めっきに使われるほか、合金としてよく利用されています。
コバルトのおもな合金には、高速度鋼・ＫＳ磁石鋼・硬質合金などがあります。

硬質合金は、コバルトに、クロム・タングステンなどの金属をくわえたもので非常に硬くたとえば、硬質合金のうちのウディアはダイヤモンドのような硬さをしめします。

また、コバルトは陶磁器・エナメル・ガラスなどの着色剤として使われたりホウロウ鉄器のうわぐすりとして使われたりします。

この場合に使われるのは、ふつう酸化第二コバルトで青色系統の色調をしめします。

めっきをするわけ

めっきは、ある物質に金属のうすい膜をつけることで、その膜の厚さは、ふつう0.01センチ以下です。


めっきをするのは、つぎのような2つの理由からです。
その1つは、金属がさびつくのをふせぐためでその金属よりさびにくい金属をめっきして、内部を保護するのです。

もう1つは、美しく見せるためにするめっきです。
めっきする金属としては、金・銀・クロムなどが使われます。

電気めっき

電解質の溶液の中に、2つの電極を入れ、これに電流を通すと陽極と陰極とで、分解がおこります。

これが電気分解で、これを利用したものが電気めっきです。
電気めっきでは、めっきされる金属を陰極としめっきする金属をふくむ塩をめっき液とする場合とやはり、陰極にめっきされる金属を使い陽極にめっきする金属を使う場合とがあります。

このようにして、両極に電流を通じると、めっきする金属は陽イオンとなって
陰極となっている金属に引きよせられ、その表面について析出するのです。

このように、金属が電気分解によって析出して陰極の物質にくっつくことを、電着といいます。

電気めっきをするときは、まず生地の金属（めっきされる金属）の表面をよくみがき熱した塩基の溶液でよく洗って、油を除いたり、酸で洗って酸化物などを除いたりしてから、きれいな水で洗います。

このようにした金属を、陰極としてめっき液の中に入れるのです。

生地とめっきする金属とが、なじみにくく、めっきがよくかからないときには先に生地とめっきする金属の両方になじみやすい別の金属を、めっきしておいてから目的とする金属をめっきします。

この中間に使う金属としては、銅や黄銅などが、よく使われます。
たとえば、亜鉛に二ッケルめっきをするときはまず亜鉛に銅めっきをかけ、つぎに二ッケルめっきをします。

電気めっきには、金めっき・銀めっき・銅めっき・二ッケルめっき・クロムめっきなどがあります。

金めっき

塩化金の溶液と、シアン化カリウム溶液をまぜるとシアン化金カリウム溶液ができます。

この溶液をめっき液とし純金を陽極として、めっきします。

金めっきは、装飾品など、表面を美しく見せるためにほどこされます。

銀めっき

銀めっきには、いろいろな方法があります。

その1つとして使われている方法は、シアン化銀・シアン化カリウム・炭酸カリウムをまぜてめっき液とし、陽極に純銀を使います。

銀めっきは、装飾品・食器などにほどこされます。

銅めっき

銅めっきはたいてい鉄や亜鉛にほかの金属をめっきするときに中間めっきとしてほどこされます。

方法にはいろいろありますが、その1つは硫酸をふくむ硫酸銅溶液をめっき液とし純銅を陽極として電気を通じると陰極にした金属に銅が電着し、めっきされます。

ニッケルめっき

硫酸二ッケル・塩化アソモニウム・ホウ酸の溶液をめっき液とし二ッケルを陽極にして、電流を通じます。

ニッケルめっきは、さびどめや、装飾の目的でほどこされます。
またクロムめっきをするための中間めっきにもされます。

クロムめっき

無水グロム酸と硫酸をめっき液とし、鉛を陽極にしておこないます。

クロムめっきは、装飾をかねて、すり減らないようにするためにかけられるもの自動車・自転車などの部品のほか、機械部品々計器などにほどこされます。

水酸化ナトリウムの工業的製法

水酸化ナトリウムは、工業的には、食塩（塩化ナトリウム）を原料としてつくります。

その方法には、食塩水を電気分解し直接水酸化ナトリウムにかえる電解法と食塩から炭酸ナトリウムをつくってそれを水酸化ナトリムにかえるアンモニアソーダ法とがあります。

電解法は、さらに隔膜法と水銀法とに分けられます。

隔膜法

隔膜法は図のような電界そうを使っておこないます。
濃い食塩水を上から流しこむと、食塩水は電気分解を受けながら底に張った石綿の隔膜を通り抜けて下に落ちます。

黒鉛の陽極からは、塩素ガスが発生し隔膜の下にはった穴のある鉄板の陰極からは水素ガスが発生します。

鉄板の穴を通り抜けた食塩水は、水酸化ナトリウムをふくむようになります。

この液をに詰めると、食塩が結晶になってでてきますからそれをろ過して取り除き、残りの液を冷やすと水酸化ナトリウムの固まりができます。

水銀法

水銀法では、下の図のように、電解槽に隔膜はなく底に水銀がうすく流れていて、これが陰極になっています。
そのほかは、隔膜法とよく似ていて黒鉛の陽極からは塩素が発生します。

いっぽう、水銀の陰極ではナトリウムイオンが放電してナトリウム原子となり、水銀に溶け込みます。

これをナトリウムアマルガムといいます。

ナトリウムアマルガムは、横から流れだし別の水槽（解こう塔）に導かれそこで、ナトリウムと水が反応して水素を発生し水酸化ナトリウムができます。

ナトリウムをはなした水銀は、また電解槽に導かれて使われ解こう塔にできた水酸化ナトリウムをふくんだ水は取り出して煮詰められ、水酸化ナトリウムがつくられます。

隔膜法でつくられた水酸化ナトリウムは、食塩がまざって不純になりますが
水銀法でつくられたものは非常に純粋な水酸化ナトリウムです。

また、隔膜法でも水銀法でも水素と塩素が気体としてえられますがこれからは、塩酸がつくられます。

水酸化ナトリウムの実験室的製法

実験室では、アンモニアソーダ法と同じように炭酸ナトリウムから水酸化ナトリウムをつくります。

炭酸ナトリウム・水酸化カルシウム・水をまぜると炭酸カルシウムの白い沈殿ができます。

この沈殿を取り除いて液を煮詰めると、水酸化ナトリウムができます。
この方法でも、水銀法と同じように純粋な水酸化ナトリウムをつくることができます。

複分解

炭酸ナトリウムに水酸化カルシウムが作用するときの反応式をよく見るとナトリウムとカルシウムとが入れかわっていることがわかります。

このような反応を、複分解といいます。

酸化と還元

今までは、酸化と還元について別々に考えてきましたがここで酸化・還元をまとめて考えてみましょう。

かんたんな例として、炭素が燃える場合を考えてみましょう。

炭素原子の原子価は0、二酸化炭素になったときは炭素の原子価は4です。
すなわち、炭素は原子価0から4に増えて酸化されたことになります。

酸素は、反応するまえは電気的に中性で原子価は0二酸化炭素になったときは　一2価にかわります。

つまり、酸素は0から-2価に原子価が減ったことになりこれはすなわち酸素が還元されたことにほかならないのです。

このように、酸化と還元はいつも同時に起こるものです。
一方が酸化されているときにはもう一方は必ず還元されています。

いろいろな酸化・還元反応について自分で考えてみてください。

酸化・還元とイオン

すでに述べたように酸化は原子の＋電気が増えること、あるいは－電気が減ることであり、還元は＋電気が減ることあるいは－電気が増えることです。

原子は原子核の周りに－電気をおびた電子という粒がとりまいている形をしています。

その電子が増えたり、減ったりすると原子は－電気をおびたり＋電気をおびたりします。

原子が電気をおびた状態にあるものをイオンといいます。

こうして見ると、原子が＋イオンになることは酸化であり－イオンになることは還元であるということができます。

また、反対に＋イオンが原子になることは還元であり－イオンが原子になることは酸化です。

酸化・還元と電気分解

酸化・還元とイオンの関係を電気分解について考えてみましょう。

食塩の水溶液はナトリウムイオンと塩素イオンに分かれています。
これを電気分解すると、塩素イオンは陽極（プラス極）に引かれ
そこで電子を陽極にわたして塩素原子となり、これが2個で塩素分子になります。

つまり、塩素イオンは酸化されたわけです。
ナトリウムイオンは陰極（一極）に引かれますが
水が電離してできた水素イオンのほうが電子をもらいやすい性質をもっているので
電子をもらって水素原子となり、これが二個で水素分子になります。

つまり水素イオンは還元されたのです。
ナトリウムイオンは、食塩水の中に水酸イオンとともに残ります。

そのほかの電気分解のときにも
陽極や陰極で、必ず酸化・還元の反応が起こっているのです。

また、金属のメッキのときにも酸化・還元が起こっています。

それには、金属イオンの性質をよく理解しなければなりません。
これから、金属イオンの性質と、その利用法などについて、考えることにしましょう。

電気分解によらないメッキ

3パーセントぐらいの硫酸銅の水溶液に、よくみがいた鉄くぎをつるしてしばらくそのままにしておくと、鉄くぎの表面が赤みを帯び金属の銅がくっついたことがわかります。

また、2パーセントの硝酸銀の水溶液によくみがいた銅線をつるしておくと、銅の表面に銀が析出します。

これらのことは、次のように考えるとうまく説明することができます。

硫酸銀の水溶液には、銀イオンがふくまれています。
これに銅を入れると、銅は電子を失って銅イオンとなって溶けだし溶液中の銀イオンは電子を受け取り、金属の表面につくのです。

その証拠には、長くおいた駅の色を見るとうすく銅イオンの青い色がついています。
したがって、銀よりも銅が、銅よりも鉄がイオンになりやすいことになります。

金属と水や酸

ナトリウムを水に入れると水素を発生して水酸化ナトリウムの水溶液ができますが、このことも同じように考えてよいのです。

水には水が電離して生じた水素イオンがわずかながらあります。
これにナトリウムを入れるとナトリウムのほうがイオンになりやすいためナトリウムイオンとなって溶け込み水素イオンは電子を受け取って水素原子となり、さらに、水素分子となって水素の気体を生じるわけです。

亜鉛はナトリウムイオンになりにくいため亜鉛に水を入れただけでは、水素がほとんどでません。

しかし、塩酸や硫酸のような酸だと、水素イオンが液中にたくさんあります。
亜鉛は水素より少しばかりイオンになりやすいので酸の中に浸すと、たくさんある水素イオンとの作用によって、水素を生じるわけです。

銅や銀の金属は、水の中はもちろん塩酸や硫酸の中に浸しても水素を発生しません。

このことは、銅や銀が水素イオンよりもイオンになりにくいためであると考えれげよいことになります。

イオン化列

イタリアのボルタは、多くの金属についてこのようなイオンになりやすさを研究し、1800年にその成果を発表しました。

下の表は、主な金属について、イオンになりやすいものから順に左から右にならべたものです。

これは、イオン化列とよばれています。

金属イオンになりやすいかどうかを水素を基準にして、0としてあらわした数値もこのなかにしめしておきました。

＋の記号のついたものが水素よりイオンになりやすく－の記号のついたものがイオンになりにくいわけです。

この表で、＋の数値の大きい金属は電気分解で金属メッキをするのがたいへんむずかしくなります。

電気メッキ

金属は陽イオンになりやすい性質をもっていますから金属の陽イオンをふくむ溶液を電気分解すると、陰極の表面に金属のメッキをすることができないでしょうか。　

つぎのような実験をしてみましょう。

実験

①ビーカーに200立方センチの水をとりこれにつぎの薬品を順に入れ前に加えたものがよく溶けてからつぎを加えるようにしてメッキ液をつくります。

硫酸二ッケル30グラム・塩化アンモニウム3グラム・ホウ酸3グラム。

②二ッケル板を陽極にし、よくみがいてきれいにした銅板を陰極にして図のような装置を組み立て銅板の上に二ッケルメッキを行います。

このとき、陽極になった二ッケル板の表面では二ッケルが二ッケルイオンになって液に溶けこみます。

また、陰極の表面ではニッケルイオンがくっつき電極から電子をもらって金属になります。

メッキ液に加える塩化アンモニウムやホウ酸はニッケルメッキをきれいに出来上がらせる役目をもっています。

二ッケルにかぎらず、金属のイオンの陽電気をとりされば金属になるわけですからこのしくみを利用して、他の金属もメッキできます。

この実験では、ニッケルを陽極に使いましたが他のもの（炭素など）を陽極にしても陰極板にメッキすることができます。

しかし、この場合、メッキ液の中の二ッケルイオンが次第に少なくなりますからやがてメッキすることができなくなります。

たいていのメッキにおいては、このようなことがないように陽極にメッキする金属をつかいますがクロムメッキなどは陽極にクロムを用いないで、鉛や鉛の合金を使用します。

ナトリウムの製法

ナトリウムは、水酸化ナトリウムや食塩（塩化ナトリウム）を非常に高い温度で溶かして、この液体を電気分解してつくります。
　

例えば、食塩は800℃に熱すると溶けますからこの溶けた食塩を黒鉛の陽極と鉄の陰極を使って電気分解すると陽極でナトリウムが遊離し、陰極から塩素がでてきます。

ナトリウムの性質

純粋なナトリウムは水より軽い金属です。
非常に不安定で、水に入れると水と激しく反応して、水素と水酸化ナトリウムになります。

また、空気中の酸素や水分ともすぐ反応しますからナトリウムを保存するときには石油などにつけて空気に触れないようにしておきます。

ナトリウムをふくむ化合物を炎に入れると、炎の色が黄色になります。

これを炎色反応といい、カリウムではうす赤紫色銅では濃い緑色というようにほかの金属でも見られる反応です。

塩素の工業的製法

塩素は、工業的には食塩水の電気分解でつくられています。

食塩水の電気分解によってつくられる塩素はふくまれる不純物も少なく、非常に濃いものです。

また、費用もたいへん安くなりますので電解法は工業的な製法としては最も便利な方法です。　

塩素の実験室的製法

実験室では、塩酸に二酸化マンガンを作用させて塩素をつくります。

このとき、塩素に混じって塩酸や塩化水素がでてきますがこれは、下の図のような装置で水中を通すと取り除くことができます。

また、乾いた塩素が必要なときには濃硫酸か塩化カルシウムの中を通します。

これらは非常に水分を吸いやすい物質なので脱水剤として使われます。

塩素を実験室でつくるとき二酸化マンガンのかわりにさらし粉CaOCl₂にや過マンガン酸カリウムKMnO₄などを使ってもできます。

塩素の性質

塩素はごく薄い緑色の気体で空気の約2.5倍の重さがあります。

塩素は、ほかの物質と非常に化合しやすく酸素・窒素など数種の元素を除きほとんどの元素と化合して塩化物（塩素の化合物）をつくります。

また、塩素には色素とむすびついて色をなくしてしまう作用があります。

例えば、塩素を入れた瓶に色のついた花や赤インキで書いた紙などを入れておくと色がなくなってしまいます。

このような作用を漂白作用といいます。塩素の漂白作用には、水分が必要です。

塩素は水によく溶けます。塩素の水溶液は塩素水といい、強い酸化作用があります。

それは、①式のように塩素と水が反応して次亜塩素酸という化合物ができてこれが酸素をだしやすいからです。

また、塩酸も少しできますので塩素水は酸性になります。

一般に塩素をふくむ化合物は水に溶けやすく水に溶けると塩素イオンを遊離するものがたくさんあります。

この塩素イオンは、硝酸銀を加えると右の②式のように、塩化銀の白い沈殿をつくるので見つけることができます。

また、物質が燃えるときには酸素が必要ですが物質によっては塩素さえあれば燃えるものもあります。

例えば、塩素の中に火のついたロウソクを入れると消えずにそのまま燃え続けますがこれは、ロウの成分の水素が塩素とむすびついて塩化水素ができるからです。

また、気体の水素も燃えますが水素と塩素の混合気体は火をつけたり太陽の光線を当てたりすると爆発するので、たいへん危険です。

塩素の用途

塩素は、主に塩酸・さらし粉・DDT・BHCなどの薬品の原料として使われています。

また、そのままで水道水の消毒や下水の殺菌などにも使われています。

そのほか、最近は合成樹脂工業が発達してきたためこの方面でも盛んに使われるようになってきました。

例えば、塩化ビニル・シリコーンなどは塩素が原料の一つになっています。

食塩は塩化ナトリウムという電解質でできていますが
この濃い水溶液を電気分解してみましょう。

実際に実験してみると
陽極から塩素が、陰極から水素が発生することがわかります。

そして、陰極に近い水は水酸化ナトリウムの水溶液となっています。

このときの反応は、つぎのように説明されます。

①　水に溶けた食塩は、ナトリウムイオンと塩素イオンとに電離しています。

②　塩素イオンは陰イオンですから陽極に引かれ電極にくっついて、塩素原子になります。

そして、塩素原子が2個で塩素分子をつくり、水に溶けたり、気体になったりします。

③　ナトリウムイオンは陽イオンですから陰極に引かれますが陰極の材料によって様子が違います。

(A)　陰極が黒鉛や鉄でできていると水のわずかな電離でできた水素イオンが陰極にくっついて水素原子となりこれから水素分子となります。

一方、液の中には、ナトリウムイオンと水酸イオンとが残るわけですから水分を蒸発させると、水酸化ナトリウムが残ります。

(B)　陰極が水銀だと、ナトリウムイオンは一の電気と結びついて、ナトリウム原子となって水銀に溶けます。
この水銀に水を通すと、ナトリウムが反応して水酸化ナトリウムと水素になります。

ここでできた水酸化ナトリウムは強電解質ですから水に溶けている間は、ナトリウムイオンと水酸イオンとに電離していますが液を蒸発させると水酸化ナトリウムの固体としてえられます。

なお、食塩水の電気分解においては陰極にできた水酸化ナトリウムと陽極にできた塩素とが反応して塩素酸ナトリウムNaclO₃ができることがあります。

これを防ぐために、食塩の工業的電気分解には陰極と陽極を隔膜で分ける隔膜法や陰極に水銀を用いる水銀法などが用いられるわけです。

食塩水は、工業的に塩化マグネシウム・硫酸マグネシウム・硫酸カルシウムなどの製造原料として大切なものですがいちばん重要な用途は、電気分解することにより塩素・水素・水酸化ナトリウム・ナトリウムなどをつくることです。

このような工業を、ソーダエ業といいます。

水酸化ナトリウムや水素の性質についてはほかのところで詳しく説明してありますからここでは、塩素とナトリウムについて調べてみましょう。

イオンがあれば、いつもこのような電気分解が行われるかどうかこれから調べることにしましょう。

電気分解の原理

電解質の水溶液には陽イオンと陰イオンとが数多くあります。

この溶液に、2つの電極を浸して片方を電池の陽極につなぎ、もう一方を陰極につなぎます。

すると、陽イオンは陰極のほうへ陰イオンは陽極のほうへ引っぱられて動きます。

つまり、水溶液の中を電流が通るわけですが金属の中を電流が通るときと様子が違います。

金属の中では電子が動いて電流が流れることになりますが水溶液の中では、イオンが電気を運ぶので電流が流れます。

物質そのものが移動するのです。

水の電気分解

純粋な水は、ほとんど電離していませんからイオンが少なくて電流が流れません。

しかし、水酸化ナトリウムや硫酸のような電解質を溶かすと電流がよく流れるようになります。

ここでは水酸化ナトリウムを溶かした水溶液を電気分解するときのことを考えてみましょう。

水酸化ナトリウムの水溶液には陽イオンのナトリウムイオンと陰イオンの水酸イオンがたくさんあります。

このうちの水酸イオンは－の電気をもっていますから陽極に引っぱられてくっつき電極の＋の電気をもらって、電気を帯びなくなります。

そして、水酸イオンの電気のなくなったものが酸素と水に変化して、陽極からは酸素が発生するわけです。

また、ナトリウムイオンは陰極に引きつけられますがなかなか電極にくっつきません。

かえって、水がごくわずか電離して生じている水素イオンのほうが陰極にくっつき、電極の－の電気をもらって電気を帯びない水素原子になってしまいます。

そして、水素原子が2個集まって水素分子となり、陰極から水素が発生します。

水酸イオンや水素イオンが少なくなると、水が新しく電離してこれを補うので結局は、水の電気分解となり、水酸化ナトリウムは変化しないことになります。

実験室で、電気分解をする場合はホフマン電解装置という図のような装置がよく用いられます。

電極のところをよく観察すると陽極から酸素が、陰極から水素が発生しているのがわかります。

水の電気分解をまとめると式にあるように、水2分子から水素2分子と酸素1分子ができる反応ですから電気分解によって生じる酸素と水素の体積は常に1対2となります。