実験課題 P9. 重⾦属イオンの性質と同定（オンライン実験）
重⾦属やその化合物は、医療や健康、材料、エネルギー、近代産業などの分野の研究において、常に注⽬の的である。ほとんどの重⾦属元素や重⾦属化合物は有毒であるため、私たちの⽣活において重⾦属イオンを同定することは重要な問題である。
重⾦属元素の外殻の d 軌道や f 軌道は通常、不対電⼦をもっており、その不対電⼦は可視光によって励起されることがある。そのため、ほとんどの重⾦属イオンには⾊がついている。重⾦属イオンの化学反応では、溶液に⽬視で判断可能な変化が⾒られる。この性質を利⽤し、化学反応による変化を観察することで、重⾦属イオンを同定することができる。このオンライン実験では、⽣徒の健康にも環境にも悪影響を与えることなく、各反応で何が起きているかを⽣徒がはっきりと理解することができ、異なる重⾦属イオンの化学的性質や同定の仕⽅について⽣徒が習得することができる。
Experiment procedure
実験の⼿順
1.

https://prj16.xnfz.cmet.ustc.edu.cn/ にログオンする
ユーザー名(username): test001, パスワード(password): 123456（注：Android の携帯電話を使⽤している者は、ログオンページの QR コードを読み込み、アプリケーションをダウンロードすることで、携帯電話で実験を⾏うことができる）

54th IChO – Preparatory Problems

1

2.

メインページの⼿順 A（Procedur A）の「既知の試薬の⼀覧（Matrix of KnownReagents）」をクリックし、重⾦属イオンの性質や陰イオンと混合したときに起こる反応について学ぶ（訳注: 当該ページには重⾦属イオンと陰イオンが羅列された⾏列があり、それぞれを混合したときの様⼦を記録した動画が閲覧可能である)。各イオンの反応を記録する必要がある場合は、メインページの「観察事項の表のテンプレート（observation table template）」をクリックし、既知の試薬について観察したことをまとめるための表をダウンロードする。

54th IChO – Preparatory Problems

2

3. ⼿順 B の「試験を開始する（Start Quiz）」をクリックすると、5  10 の未知の試料のランダムな組み合わせが表⽰される。未知の試料は A から O の名前がついている。ボタンをクリックすると、未知の試料どうしの反応を観察することができる。A から O のボタンをクリックすると、未知試料の混合前の溶液の画像が表⽰される。

4.

「同定する（Identify）」をクリックし、解答欄に同定した結果を数字で⼊⼒する。回答をオンラインで提出（Submit）すると、点数がすぐに確認できる。

5. メインページの⼿順 D にある「選択肢問題（Multiple- Choice Questions）」に回答する。次ページ以降の記載内容は、web サイトの内容を翻訳したものである。

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Properties and Identification of Heavy Metal Ions

重⾦属イオンの性質と同定
Purpose of the Experiment 実験の⽬的
Background 実験の背景
Experimental Procedure 実験⼿順

A. Observation of Reactions Between Known Solutions 既知試薬溶液間の反応の観察
Matrix of Known Reagents 既知の試薬⼀覧
Observation Table Template 観察事項の表のテンプレート

B. Identification of a Set of Unknowns 未知試薬の組み合わせの同定
Start Quiz 試験を開始する

C. Lab Report Form 実験報告書
D. Multiple-Choice Questions 選択肢問題
Demonstration 操作説明の動画
Supplementary Materials 補助教材
Copyright 著作権

54th IChO – Preparatory Problems4実験の⽬的1. 重⾦属イオンと⼀般的な陰イオンの反応を観察する。
2. 重⾦属イオンの化学的性質について習得する。
3. 観察したことを記録し、化学反応式を正しく書く技術を養う。
4. 化学的な論理的思考⼒を鍛える。

実験の背景
科学研究者は、常に結果が未知である実験を⾏っているが、知識や経験、細かなことまで⾒逃さない注意⼒をもちいて新たな発⾒へとつながる結論を導いている。⼀連の実験の⽬的は、科学者がどのように物理量データを収集・整理し、論理的な結論までたどり着くのかについて、理解を助けることである。
この実験は、注意深く観察し、⾃分の知識を使っていくつかの未知のイオンを同定する⽅法を学ぶことができるように設計されている。最初に、⼀度に既知の溶液 2 つを混ぜ合わせ、結果を表にまとめる。その溶液の中のいくつかが「未知試料」としてランダムに割り当てられ、それらの同定を⾏う。データを表に整理する作業を通して、各試薬の反応性をまとめ、「既知試料」同⼠の反応性と「未知試料」同⼠の反応性を⽐較することができるだろう。
⾦属を重⾦属として分類するための標準的な定義は存在しない。ほとんどの重⾦属は⼤きな原⼦番号、原⼦量をもっており、密度は 4.5 g cm−3 よりも⼤きい。重⾦属の性質は多様性に富むため、重⾦属やその化合物は常に材料科学や物理学、化学などの分野における重要な研究対象となってきた。しかし、多くの重⾦属元素とその化合物は有毒である。かつて

54th IChO – Preparatory Problems

5

は重⾦属化合物に関する実験はごく⼩スケールで⾏われて、反応の結果はしばしば観測することが困難であったが、そのような配慮を施してもなお、⽣徒の健康や環境への潜在的な有害性があった。
ほとんどの重⾦属イオンには⾊がついており、重⾦属イオンの化学反応では、溶液にはっきりとした変化が⾒られる。この性質を利⽤し、化学反応による変化を観察することで、重⾦属イオンの化学的性質を可視化することができる。このオンライン実験の動画を⾒ることにより、⽣徒は⽣徒の健康にも環境にも悪影響を与えることなく、各反応における変化を明快に理解することができる。各⽣徒は⾃分ひとりでこの実験を⾏うこと。このオンライン実験は、⽣徒が異なる重⾦属イオンの様々な性質を学び記憶して、将来の研究や仕事における確固たる基礎を築く⼀助となる。

実験⼿順
A.

既知試薬溶液間の反応の観察

1. 表の端にある既知化合物の名前には、それぞれ静置した溶液の写真のリンクがある。

2.のアイコンをクリックすると、その⾏のイオンの溶液にその列の溶液が加えられる

動画が表⽰される。各反応では、0.2 M の溶液が概ね同体積混合される。（⽔銀イオンの溶液は、他の溶液と⽐べて濃度が低い。）
3. あらかじめ⽤意した表に、観察した事項を記録すること。

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Ammonia
アンモニ
ア
NH3

Hydroxid

Carbonatee

anion

anion

⽔酸化物

炭酸イオ

イオン

ン

OH-

CO32-

SulfateSulfideChloride

Bromidelodide

anion

anion

anion

anion

anion

硫酸イオ

硫化物イ

塩化物イ

臭化物イ

ヨウ化物

ン

オン

オン

オン

イオン

SO42-

S2-

Cl-

Br-

I-

Chromium(III)

Chromium(III)cationcationクロム(III)

クロム(III)

イオン

イオン

Cr

3+

Cr3+Manganese(II)Manganese(II)cationcationマンガン(II)

マンガン(II)

イオンイオン

2+

Mn

Mn2+

Iron(II) cation

Iron(II) cation

鉄(II)イオン

鉄(II)イオン

Fe2+

Fe2+

Iron(II) cation

Iron(II) cation

鉄(III)イオン

鉄(III)イオン

Fe

3+

Fe3+

Cobalt(III) cati

Cobalt(III) cationon

コバルト(II)

コバルト(II)

イオン

イオン

Co2+

Co2+

Nickel(II) cati

Nickel(II) cationon

ニッケル(II)

ニッケル(II)

イオン

イオン

Ni2+

Ni2+Copper(II) cat

Copper(II) catiionon

銅(II)イオン

銅(II)イオン

2+

Cu

Cu2+

Zinc cation

Zinc cation

亜鉛イオン

亜鉛イオン

Zn2+

Zn2+

Strontium cat

Strontium catiionon

54th IChO – Preparatory Problems7

ストロンチウ

ストロンチウムムイオン

イオン

Sr2+

Sr2+

Silver cation

Silver cation

銀イオン

銀イオン+AgAg+

Cadmium cati

Cadmium cati

onon

カドミウム

カドミウムイオンイオン

Cd2+Cd2+

Mercury(I) cat

Mercury(I) cationion

⽔銀(I)イオン⽔銀(I)イオン

2+2

Hg

Hg22+

Mercury(II) ca

Mercury(II) cationtion

⽔銀(II)イオン

⽔銀(II)イオン2+

Hg

Hg2+Lead(II) catio

Lead(II) cationn

鉛(II)イオン

鉛(II)イオン

Pb2+

Pb2+
Hydroxid

CarbonatAmmoniaee

アンモニ

anion

anion

ア

⽔酸化物

炭酸イオ

NH3イオン

ン

OH-

CO32-

SulfateSulfideChloride

Bromidelodide

anion

anion

anionanionanion

硫酸イオ

硫化物イ

塩化物イ

臭化物イ

ヨウ化物

ン

オン

オン

オン

イオン

2---24SOSClBrI-

B. 未知試料の同定
1. A4 の紙全体に観察事項の表(表 1)を印刷、または⼿書きで書き写す。各観察事項を記録するために⼗分なスペースを確保しておくこと。

54th IChO – Preparatory Problems

82. 記録としては、⾊の変化、泡の発⽣、沈殿の⽣成などを記し、明確かつ簡潔に⾏う。
⾊の変化と沈殿⽣成を区別すること。（すなわち、溶液が着⾊したのか不透明になったのかを区別すること。）

表 1 既知の試薬に関する観察事項の表
NH3Ion

Color

イオン

⾊OH-

CO32-

SO42-

S2-

Cl-

Br-

I-

Cr3+

Cr3+

Mn2+

Mn2+

Fe2+

Fe2+

Fe3+

Fe3+

Co2+

Co2+

Ni2+

Ni2+

Cu2+

Cu2+Zn2+Zn2+Sr2+Sr2+Ag+Ag+Cd2+Cd2+Hg22+Hg22+

Hg2+Hg2+Pb2+Pb2+
NH3

OH-

54th IChO – Preparatory Problems

CO32-

SO42-

S2-

Cl-

Br-

I-

9

表 2 未知の試料に関する観察事項の表
A
Ion

Color

イオン

⾊C

D

E

F

F

G

G

H

H

I

I

J

J

K

K

L

L

M

M

N

N

O

O
A

C.

B

B

C

D

E

実験報告書


1. 未知試料の組み合わせの番号を実験ノートにすぐに記す。この番号を記していないと、試験監督は答案を採点することができない。

2. 表の端の⾏または列の⽂字をクリックすると、混合前の溶液の画像を⾒ることができる。表の内部のボタンをクリックすると、未知試料同⼠を混合させたときの反応を観察することができる。例えば、「F + A」のボタンを押すと、未知試料 Aがピペットを通じて試験管内の未知試料 F に加えられる様⼦が動画で再⽣される。

54th IChO – Preparatory Problems

10

3. 「未知の試料に関する観察事項の表」を⽤意し、表に観察したことを記録する。

4. かならず 2 時間以内に答案を提出すること。2 時間以内に提出しなければ、試験の点数は 0 点となる。試験は 2 回しか受けることができない。（訳注：本準備問題
におけるアカウントでは何回も試験を受けることが可能である。）

D. 選択肢問題

1. 次の陽イオンが S2−と反応した時、他の陽イオンとは異なる様式の反応が起こるのはどれか？
A) Fe3+B) Fe2+C) Zn2+D) Ni2+

2. 次の陽イオンが I−と反応した時、他の陽イオンとは異なる様式の反応が起こるのはどれか？
A) Pb2+
B) Ag+C) Cu2+D) Hg2+

3. Zn2+または Ag+の溶液に NH3ꞏH2O を加えると、速やかに沈殿が⽣成するのが観察される。そこに、さらにアンモニアを加えると、沈殿は徐々に溶解する。このような変化が起こる理由は、化学平衡がA) 酸塩基平衡から沈殿⽣成平衡にB) 沈殿⽣成平衡から錯形成平衡に54th IChO – Preparatory Problems

シフトするためである。

11C) 沈殿⽣成平衡から酸塩基平衡に

D) 錯形成平衡から沈殿⽣成平衡に4. ある溶液に、Mg2+と少量の Mn2+, Zn2+, Pb2+が溶解している。Mg2+の存在を確認したい
場合、ほかの 3 個の陽イオンに⼲渉されることなく Mg2+の存在を確認することができる
陰イオンはどれか？
A) BrB) IC) SO42D) S2-

5. ⼯業的に⽤いられている硫酸銅(II)には、Fe2+や Fe3+が不純物として含まれていることがある。このような硫酸銅(II)の純度を⾼めるためには、次のどの試薬を⽤いることができるか？
A) NaOHB) NH3C) SO42D) Cl著作権

1. このオンライン実験は中国科学技術⼤学の無機化学実験コースのグループが設計したものであり、著作権は中国科学技術⼤学が保有している。



2. ご協⼒いただいた UW-Madison（ウィスコンシン⼤学マディソン校）化学科のJohn W. Moore 教授と Chad C. Wilkinson 博⼠、Rachel L. Bain 博⼠に感謝の意を表する。

3. 題材となったの実験系は、J. Scott、D. Shaw、S. Mellon、C. Somers、S.
Nurrenbern、J. March の 6 ⽒によって確⽴された。動画の⼀部は、J. Maynard、L.

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12Plank、K. W. Lam、A. Hellernbrand の 4 ⽒によって演出・撮影が⾏われた。著作権© 2014 ウィスコンシン⼤学マディソン校化学科

4. 補助教材は以下より:「ハウスクロフト無機化学」, アラン・シャープ, キャサリン・ハウスクロフト,
アメリカ合衆国:ピアソン, 2012 年 3 ⽉ 31 ⽇, (ISBN 978-0273742753)

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