ＳｉＯ2とＨ［Ａｌ（ＯＨ）4］の反応を教えて下さい。

質問

２つもあるのですがどうか教えて下さい。

１．空気中でＳｉＯ2とＨＦが反応するときの式は、

　　ＳｉＯ2　＋　４ＨＦ　→　ＳｉＦ4　＋　２Ｈ2Ｏ

と教科書に載っています。酸化数が変わっていないので酸化還元反応じゃないはず。とすると酸塩基反応かと思うのです。でも中和だとするとＳｉＯ2が塩基性酸化物として反応しているということになってしまいます。だとすると

　　ＳｉＯ2　＋　２Ｈ2Ｏ　→　Ｓｉ4+　＋　４ＯＨ-
　　４ＨＦ　　　　　　　　　→　４Ｆ-　＋　４Ｈ+

となり、たすと最初の式が出てきますがＳｉＯ2は両性酸化物ではないはずなのでこの様な反応式の作り方はおかしいですよね。では最初の反応式はどうやって作るのでしょうか？それとも暗記するしかないのでしょうか？

２．バイヤー法はボーキサイトから純粋なＡｌ2Ｏ3を得る方法だと聞いています。まずボーキサイトを濃ＮａＯＨに入れて加熱することでＡｌ2Ｏ3だけを溶かし、その他の不純物を沈殿させるようですが、その反応式はなんとか作れました。そして次に水を加えてＡｌ（ＯＨ）3を沈殿させるようです。この時の反応式に関して質問があるのです。

　　Ｎａ［Ａｌ（ＯＨ）4］　→　ＮａＯＨ　＋　Ａｌ（ＯＨ）3

とあります。いろいろ考えてみましたが、これも酸化数は変わってないので酸化還元反応ではなくて酸塩基反応、中でも追い出し反応なのではないかと思うんです。もし水がＨ［Ａｌ（ＯＨ）4］よりも強い酸として働くなら

　　Ｎａ［Ａｌ（ＯＨ）4］　＋　Ｈ2Ｏ
　　　　　　　　　　↓
　　ＮａＯＨ　＋　Ｈ［Ａｌ（ＯＨ）4］）
　　　　　　　　　　↓
　　ＮａＯＨ　＋　Ａｌ（ＯＨ）3　＋　Ｈ2Ｏ

となる気がするのですがどうですか？アセチレンやアルコールが水よりも弱い酸としての性質を持つということなのでこれもそうなのかな～と思うんです。長々とすみません。よろしくお願いします。

回答No.3

ume_pyon

ふたたびです．また長くなってしまいました＞＜
いや～，ほんとにrei00さんのおっしゃるとおり，勉強になる質問です．

>確かにガラスは水に溶けなさそうです。
>でも、例えばＳｉＯ2と濃ＮａＯＨの反応式を作るとき、

>　ＳｉＯ2　＋　Ｈ2Ｏ　←→　２Ｈ+　＋　ＳｉＯ3 2-　・・・※
>　２ＮａＯＨ　　　　　　　→　２ＯＨ-　＋　２Ｎａ＋

>　∴　ＳｉＯ2　＋　２ＮａＯＨ　→　Ｈ2Ｏ　＋Ｎａ2ＳｉＯ3

>という感じにいつも作っているのですが、実はダメなんですか？
>※の式の平衡はとんでもなく左に、みたいな感じで。（？）

するどいご指摘，ありがとうございます．
あの後調べてみたのですが，

>　　SiO2 + H2O → H2SiO3
>という反応は起こらないことが知られています．だって，よくよく考えれば，ガラスSiO2は水と反応しませんよね（したら大変です！）．

という記述は説明不足で，gedo-syosaさんのおっしゃるとおり，平衡反応とみなすこともできます．実際，高温，高圧（例えば地底奥深く）では，※の平衡が右に進むことがあると考えられているようです．しかし，この「高温，高圧」というのは，想像を絶する世界のようで，地表ではとんでもなく左，でしょう．ですから，地表ではH2SiO3は即座にSiO2とH2Oに分解してしまうはずです．

というわけで，少なからずとも平衡反応が起きていると考えられるのなら，NaOHを加えることで※の平衡が右に移動するのではないかという予想でも十分です．むしろ，それを否定するほうが難しい理論なので．
しかし，これは屁理屈ではないのですが，「もしも※の平衡定数が，H2Oの電離定数よりも小さければ，※の平衡は起こりえない」ということも考えられます．（しかし，※の平衡定数を調べることができなかったので，この仮定には特に根拠はありません．）

これをわかりやすくするために，強酸のHClと弱酸のCH3COOHが混ざった水溶液を考えてみます．

(1) HCl → H+ + Cl-
(2) CH3COOH ←→ CH3COO- + H+

すると，(1)から発生したH+の影響で，(2)の平衡は格段に左に進み，見かけ上ほぼ100%CH3COOHの形で存在しています．もしもここにNaOHを加えたら，(1)のH+と中和反応が起こり，NaClが生成します（溶液中では解離していますが）．よって，酢酸はCH3COOHの形で存在し，HClよりも大過剰のNaOHを加えなければ，CH3COONaは生成しないことになります．

このことをふまえて，ガラスの場合に戻ります．

(3) H2O ←→ H+ + OH-
(4) SiO2 + 2H2O ←→ 2H+ + SiO32-

もしも，水の平衡定数のほうが，(4)の平衡定数よりも大きいと仮定すれば，相対的に水のほうが強い酸として振舞うはずです．つまり，水溶液中のH+は(3)の平衡によるものであり，(4)の平衡はさらに左に偏ります．つまり，(4)の平衡は，正しくは

(5) SiO2 + H2O ←→ SiO2 + H+ + OH-

と考えられるかもしれません．(5)の平衡にNaOHを加えても，「酸塩基反応」としては何も起こらないはずです．少なくとも，水が完全になくなるまでNaOHを加えないと，(4)の平衡になりません．

では，なぜNaOHとSiO2が反応するのか？それは，酸塩基反応ではないためと考えられます．私が調べた文献を要約しますと，
「Si-O結合は，高温のもとではSiがOH-から攻撃を受けて，その結果Si-O結合がはずれ，Si-O-Hと組み変わる．しかし，O-H結合は弱いので，外部に多量に存在するOH-がO-H結合を引き抜いてOをアニオン化して，そこに外部のNa+が接近してきてSi-O-Naとなる」
というようなことが書いてありました．なぜそうなるのかについては，それこそ私の知識の及ばない世界なので，この辺で勘弁してください！（大汗）

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一般に，平衡論には限界というものがあり，「机上の空論」的なデメリットもあります．
例えば，黒鉛とダイヤモンドは同じ炭素ですよね．ですから，
　　C(黒鉛) ←→ C(ダイヤモンド)
という相平衡が考えられます．しかも，黒鉛をダイヤモンドにするためには，超高温，超高圧でないといけないことは知っていますよね．これを逆から考えると，「常温，常圧では，上の平衡は左に偏って，ダイヤモンドはすべて黒鉛になってしまう」と考えられます．これが「平衡論」的な発想の典型です．
しかし，もしそれが事実だったら，宝石はすべてただの炭になってしまうし，「ダイヤモンドは永遠の輝き」なんてうそっぱちですよね（公共広告機構に訴えられてしまいます＾＾）．
では，なぜダイヤはダイヤでいられるのか？それは，この平衡の「速度」がものすごい遅いからです．しかし，それはこの反応式だけでは判断できず，反応速度論という新しい知識が必要になってきます．

したがって，物理化学の世界では，
反応平衡論：起こりうる反応の「予想」
反応速度論：「予想」があたるかどうかの判定
という概念を用いることが多いのが事実です．詳しくは，大学で化学系を専攻すれば学ぶことができます．（反応速度論はムズカシイです＞＜）

とはいうものの，高校生の時点で，こんなことまで考えて反応を予測する必要はまったくありません．むしろ，とてもしっかりとした根拠に基づいたdego-syosaさんの推測には，私も脱帽です！！！自分が高校生のとき，ここまで考えたことはありませんでした・・・．そのような発想豊かな頭脳を持ち，そして広い視野を持ち続ければ，大学でも非常によい論文が書けると思います．がんばってください！

P.S.水平化効果までご覧になったんですね．おっしゃるとおりですし，まあ詳しくは後でのお楽しみということで＾＾
しかし，HSAB則を聞いたことがあるとはビックリです．

お礼

では、

　ＳｉＯ2　＋　Ｈ2Ｏ　←→　２Ｈ+　＋　ＳｉＯ3 2-

の式からＮａＯＨとの反応式を作るのはやっぱりおかしいんですかね？
それとも、もし水よりも電離定数が大きかったらＯＫなんですか？？

・・・それとアニオンって確か陰イオンのことですよね？（爆）

反応速度は、なにやら関数式が多くてすでに難しいです。。最近、なんとかうまくまとめができたのでちょっと楽になりましたが・・・。大学で学ぶ反応速度論ってどんなに難しいのかな～。（＾＾；

＞とてもしっかりとした根拠に基づいたdego-syosaさんの推測には，私も脱帽です！！！自分が高校生のとき，ここまで考えたことはありませんでした・・・．そのような発想豊かな頭脳を持ち，そして広い視野を持ち続ければ，大学でも非常によい論文が書けると思います．がんばってください！

大学でもがんばります！（いや受かったらですけど（爆）
ちなみに、”dego-”ではなく”gedo-”です！（笑

＞しかし，HSAB則を聞いたことがあるとはビックリです．

ホント言葉だけですよ。
内容は１００％知りませんから～ε=ε=ε=(ｏ－　－）ｏブーン