Group 2 · ⁨第2族⁩ (A Level · ⁨Aレベル⁩) — A-Level Chemistry · ⁨A-Level 化学⁩ (9701) Revision Notes · ⁨Group 2 · ⁨第2族⁩ (A Level · ⁨Aレベル⁩) — A-Level Chemistry

27.1

Thermal stability of the nitrates and carbonates · ⁨ニトリート類と炭酸塩類の熱的安定性⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩

English

describe and explain qualitatively the trend in the thermal stability of the nitrates and carbonates including the effect of ionic radius on the polarisation of the large anion
describe and explain qualitatively the variation in solubility and of enthalpy change of solution, $\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}}$, of the hydroxides and sulfates in terms of relative magnitudes of the enthalpy change of hydration and the lattice energy

日本語

熱安定性 の傾向をマグネシウム炭酸塩および硝酸塩について定性的に記述・説明し、大きな陰イオンの分極に対するイオン半径の影響を含む
水化エンタルピー変化 および 格子エネルギー の相対的な大きさに基づき、水酸化物および硫酸塩の溶解度の違いおよび溶解エンタルピー変化 $\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}}$ を定性的に記述・説明する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

The thermal stability 热稳定性 of the Group 2 nitrates 硝酸盐 and carbonates 碳酸盐 increases down the group. Here is the reason, in terms of how the ions affect each other.

A small cation 阳离子 with a small ionic radius 离子半径 has a high charge density. It pulls on the electrons of the nearby anion and distorts its shape — this is polarisation 极化. Distorting the large anion 阴离子 (the carbonate or nitrate ion) weakens a bond inside it, so the compound breaks down more easily.

Going down the group, the cation gets larger. Its charge density drops, so it polarises the anion less. The anion is less distorted, so the compound is harder to break down — it is more thermally stable and needs a higher temperature to decompose.

Worked example. Down Group 2 the hydroxides become more soluble while the sulfates become less soluble. Explain why the two trends run in opposite directions. Solubility is a contest between the lattice energy holding the solid together and the hydration energy rewarding the ions for dissolving. Both get less exothermic as the cation grows, so whichever falls faster decides the trend. With the small hydroxide ion, the lattice energy depends strongly on the cation's size, so it falls faster than the hydration energy: the lattice gets relatively easier to break and solubility rises. With the large sulfate ion, the lattice energy is already dominated by that big anion and barely changes down the group, while the cation's hydration energy still falls - so solubility falls. Name both energies and say which one falls faster; simply restating the trends earns no explanation marks.

日本語

第2群のニトリート類と炭酸塩類の熱的安定性は、下に行くにつれて増大する。これはイオン相互の影響によるものである。

石灰工場内の回転炉 — 石灰窯内で石灰岩（炭酸カルシウム）を加熱すると、酸化カルシウムへ分解される——これは熱分解である

イオン半径の小さい小さなカチオンは高い電荷密度を持ちます。近傍の陰イオンの電子を引き寄せ、その形状を歪ませます——これが分極です。大きな陰イオン（炭酸イオンまたは硝酸イオン）を歪ませると、内部の結合が弱まり、化合物がより分解されやすくなります。

族を下がるにつれて、カチオンは大きくなります。電荷密度が低下するため、陰イオンをより少ない程度で分極します。陰イオンの歪みが小さくなるため、化合物は分解されにくくなり、熱的に安定性が高くなり、分解にはより高い温度が必要になります。

二つの状況：小さなマグネシウムカチオンが炭酸陰イオンの電子雲を涙滴状に強く歪ませる一方、大きなバリウムカチオンはほとんど歪ませない — 小さなカチオンは高い電荷密度を持つため、大きな陰イオンをより多く歪ませ（分極させ）、それを弱め、結果として化合物は不安定になる

** worked example. ** 第2族を下るにつれ、水酸化物は溶解度が増加し、硫酸塩は溶解度が減少します。なぜ2つの傾向が逆向きになるかを説明してください。溶解度は、固体を結びつける格子エネルギーと、イオンを溶解させることで得られる水和エネルギーとの競争です。両方ともカチオンが大きくなると発熱性が低下しますが、どちらが速く低下するかによって傾向が決まります。小さい水酸化物イオンの場合、格子エネルギーはカチオンのサイズに強く依存するため、水和エネルギーよりも速く低下します：格子は相対的に壊しやすくなり、溶解度は上昇します。大きい硫酸イオンの場合、格子エネルギーはすでにその大きな陰イオンによって支配されており、族を下ってもほとんど変化せず、カチオンの水和エネルギーだけが依然として低下するため、溶解度は低下します。両方のエネルギーの名前を挙げ、どちらが速く低下するかを述べなさい。単に傾向を繰り返すだけでは解説点数は与えられません。

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Group 2 thermal stability ladder · ⁨第2族の熱安定性の梯子⁩

Move down Group 2 and see why carbonates become harder to decompose. · ⁨第2族を下に進んで、炭酸塩が分解しにくくなる理由を見てみましょう。⁩

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Group 2 solubility lab · ⁨第2族の溶解度実験⁩

Classify Group 2 compounds by solubility trend. · ⁨溶解度の傾向に基づいて第2族化合物を分類せよ。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩

English	日本語
thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/	熱安定性
nitrate/ˈnaɪtreɪt/	窒素酸
carbonate/ˈkɑːbəneɪt/	炭酸塩
cation/ˈkætaɪən/	カチオン
ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/	イオン半径
polarisation/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/	分極
anion/ˈænaɪən/	アニオン
enthalpy change of solution/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv səˈluːʃn/	溶解エンタルピー変化
lattice energy/ˈlætɪs ˈenədʒi/	格子エネルギー
enthalpy change of hydration/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdreɪʃn/	水和エンタルピー変化

27.1

Solubility of the hydroxides and sulfates · ⁨水酸化物および硫酸塩の溶解度⁩

English

When an ionic solid dissolves, two energy changes compete. The enthalpy change of solution 溶解焓变 is the sum of them:

$$\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$

you must first pull the lattice apart (this needs the lattice energy 晶格能).
then water surrounds the ions (this releases the enthalpy change of hydration 水合焓变).

If the energy released on hydration roughly matches (or beats) the energy needed to break the lattice, the solid dissolves easily.

Going down the group, both the lattice energy and the hydration enthalpy get smaller (less negative), because the cation is larger. But they shrink at different rates, and this explains the opposite trends:

Compound	Trend in solubility 溶解度 down the group	Why
hydroxides 氢氧化物	increases	the $\text{OH}^-$ ion is small, so the lattice energy falls a lot down the group; this change outweighs the fall in hydration energy
sulfates 硫酸盐	decreases	the $\text{SO}_4^{2-}$ ion is large, so the lattice energy stays almost the same; the fall in hydration energy then dominates, so dissolving becomes less favourable

日本語

イオン性固体が溶解する際、2つのエネルギー変化が競合します。溶解エンタルピー変化はそれらの総和です：

第2族を下るにつれ、水酸化物は溶解度が増加するが、硫酸塩は減少する — 第2族を下るにつれ、水酸化物はより溶解しやすくなるが、硫酸塩は溶解しにくくなる

$$\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$

まず格子をばらばらにする必要がある（これには格子エネルギーがかかる）。
その後水がイオンを取り囲む（これにより水和エンタルピー変化が放出される）。

水和時に放出されるエネルギーが、格子を破るために必要なエネルギーとおおよそ一致（あるいは上回る）場合、固体は簡単に溶解する。

淡い青色のゲル状水酸化銅(II)沈殿 — 格子エネルギーが水和によって償われすぎない場合、不溶性金属水酸化物がゲル状沈殿物として生成される

族を下るにつれて、カチオンが大きくなるため、格子エネルギーと水和エンタルピーのどちらも小さく（負の値が小さく）なります。しかし、それらは異なる速度で縮小し、このことが逆向きの傾向を説明します：

水酸化物と硫酸塩を比較する2つのボックス：水酸化物では格子エネルギーが大きく低下するのに対し、硫酸塩では一定であるため、溶解度の傾向は逆になる — 傾向が逆向きになる理由：小さいOH$^-$の格子エネルギーは族を下るにつれて大きく低下する（水酸化物はより溶けやすくなる）が、大きいSO$_4^{2-}$の格子エネルギーはほとんど変化しない（硫酸塩は溶けにくくなる）

化合物	族を下るにつれた溶解度の傾向	理由
水酸化物	増加	$\text{OH}^-$イオンは小さいため、格子エネルギーは族を下るにつれて大きく低下する；この変化は水和エネルギーの低下を上回る
硫酸塩	減少	$\text{SO}_4^{2-}$イオンは大きいので、格子エネルギーはほぼ同じまま維持される；そのため水和エネルギーの低下が支配的となり、溶解は不利になる

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩

English	日本語
solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/	溶解度
hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/	水酸化物
sulfate/ˈsʌlfeɪt/	硫酸塩

27.1

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English

Thermal stability of carbonates and nitrates increases down the group — larger cations polarise the anion less.
Give the decomposition products: carbonates → oxide + $\text{CO}_2$; nitrates → oxide + $\text{NO}_2$ + $\text{O}_2$ (brown gas).
Hydroxides get more soluble and sulfates less soluble down the group.
Explain trends with cation charge density (polarising power), not just size.

日本語

炭酸塩および硝酸塩の熱的安定性は族を下るにつれて増加する——大きなカチオンは陰イオンをより少ない程度で分極する。
分解生成物を答える：炭酸塩 → 酸化物 + $\text{CO}_2$；硝酸塩 → 酸化物 + $\text{NO}_2$ + $\text{O}_2$（茶色の気体）。
族を下るにつれ、水酸化物は溶解度が増加し、硫酸塩は減少する。
単なるサイズだけでなく、**カチオンの電荷密度（分極力）**を用いて傾向を説明する。