Chemistry Labs

9年生

金属と金属のイオン化傾向

置換反応と水素を基準に、金属のイオン化傾向を比べます。

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直観反応のしやすさを示す階段

亜鉛片を青い硫酸銅(II)水溶液に入れると、銅が析出し青色が薄くなる。亜鉛原子から銅イオンへ電子が移るためである。

これは電子を失う競争です。電子をより失いやすい金属は、溶液中の反応性が低い金属イオンを置き換えます。

最初の表示はKからAuまでの順序です。表示を切り替え、Zn/CuSO₄、Cu/AgNO₃、および反応しないCu/ZnSO₄を比べます。
亜鉛・銅電極、塩橋、電子の流れ、電圧を示す3Dダニエル電池
Zn/Cuの組合せは、反応を分けたガルバニ電池で同じ電子移動傾向を示します。

学校イオン化列の読み方

定義: 金属のイオン化列

金属が陽イオンになりやすい傾向を経験的に並べたものです。上位ほど一般に強い還元剤で、水素は比較基準であって金属ではありません。

高校化学で用いる代表的なイオン化列（左から反応性が低下）
位置金属・基準代表的な性質
1K、Na、Ca冷水と反応
2Mg、Al、Zn、Fe酸と反応（速度は異なる）
3Pb、（H）、Cu、Ag、AuHより下：希薄な非酸化性酸からH₂を発生しない

列の上位の金属は、下位金属のイオンを置換できます。Zn + CuSO₄は進行しますが、Cu + ZnSO₄は進行しません。正味イオン式では傍観イオンを省きます。

Zn(s)+CuX2+(aq)→ZnX2+(aq)+Cu(s)\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)}
Zn+CuSOX4→ZnSOX4+Cu\ce{Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu}

例: 銅は硫酸亜鉛から亜鉛を置換できるか

清浄な銅片をZnSO₄水溶液に入れたとき反応するか予測します。

解答

反応しません。ZnはCuより上位で酸化されやすく、Cuはこの条件でZn²⁺をZnに還元できません。

例: マグネシウムと酸からの水素

Mg(s)と希塩酸の正味イオン式を書きます。

解答

MgはHより上位なのでH₂を発生します：Mg + 2H⁺ → Mg²⁺ + H₂。塩化物イオンは傍観イオンです。

大学電極電位による順序の説明

標準還元電位は定量的な平衡量で、暗記用の魔法の列ではありません。E°(M²⁺/M)がより負なら通常、標準水素電極に対してMの酸化が有利です。実際の起電力は活量や条件にも依存します。

25 °Cでの標準還元電位の例
半反応E° / V
K⁺ + e⁻ → K−2.93
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn−0.76
Fe²⁺ + 2e⁻ → Fe−0.44
2H⁺ + 2e⁻ → H₂0.00
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu+0.34
Ecell∘=Ecathode∘−Eanode∘E^\circ_{\rm cell}=E^\circ_{\rm cathode}-E^\circ_{\rm anode}

例: Zn/Cu電池の起電力を予測

E°(Cu²⁺/Cu)=+0.34 V、E°(Zn²⁺/Zn)=−0.76 Vを用います。

解答

Znが陽極で酸化され、Cu²⁺が陰極で還元されます。E°cell = 0.34 − (−0.76) = +1.10 V。正の値は標準条件で記した向きが自発的であることを示します。

標準外の濃度ではネルンスト式により電位が変わり、単純な列からの予測が弱まったり逆転したりします。水溶液中では水が優先して還元されるため、KやNaは析出しません。

参考文献

  • Chemistry: The Central Science · Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten, Catherine J. Murphy, Patrick M. Woodward, Matthew W. Stoltzfus, 2018