理系の雑学・豆知識

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金属のイオン化傾向、電池、電気分解

金属のイオン化傾向とは

  金属が電子を放出して(酸化されて)、陽イオンになろうとする性質のこと。

 (例)硫酸銅(Ⅱ)の水溶液に亜鉛板を入れたときの反応

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Znは溶けてZn2+になる。

( Zn → Zn2+ + 2e-  )

 

Cu2+はZn板の表面電子を受け取ってCuとして表面に析出する

( Cu2+ + 2e- → Cu )

 

つまり、イオンになりやすさは

Zn

>Cu

 

 

イオン化列と化学的性質

イオン化列・・・金属をイオン化傾向の大きい順に並べたもの。順番は必ず覚える。

 K       Ca  Na  Mg  Al   Zn  Fe  Ni  Sn   Pb  (H2)  Cu  Hg Ag   Pt Au

貸(そう)か  な  ま   あ  あ  て   に すん  な  ひ   ど  す  ぎる 借  金

 

単体とイオンの反応

単体とイオンの反応は次のようにまとめられる。 

例 1)硝酸銀AgNO(Ag+ + Cl-)水溶液に鉄Feを入れる

        イオン化傾向は Fe>Ag で、イオン化傾向が大きいFeが単体で、小さいAgがイオンなので、

     Feはイオンになる Fe → Fe2+ + 2e- ・・・ ①

Ag+は単体になる  Ag+ + e-→ Ag   ・・・ ②

      まとめると、① + ②×2 より、Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag

 

    2)塩化ナトリウムNaCl (Na+ Cl- )水溶液に銅Cuを入れる

イオン化傾向は Na>Cu で、イオン化傾向が大きいNaがイオンで、小さいCuが単体なので、

反応しない。

 

化学的性質

イオン化列と金属の化学的性質には密接な関係がある。

 

K

Ca

Na

Mg

Al

Zn

Fe

Ni

Sn

Pb

(H2)

Cu

Hg

Ag

Pt

Au

空気中での反応

酸化される

表面に酸化膜ができる

酸化されない

水との反応

冷水と反応

熱水と

反応

高温の水蒸気と反応

水とは反応しない(酸化物が水素で還元される)

酸との反応

激しい ← 希酸(低濃度の酸)と反応して水素を発生する → 緩やか

酸化力をもつ酸と反応

王水のみ反応

  注意)

1、酸との反応で、Al,Fe,Niなどは酸化力のある酸と反応すると酸化被膜(金属表面に酸化物Al,Fe,Niが覆う)を形成して内部を保護してしまうため、溶けにくい。この状態を不動態という。

   2、Al,Zn,Sn,Pbは両性元素なので、塩基とも反応する。



問題 Ca,Mg,Al,Cu,Ptがある。次の(1)~(5)の実験結果からA,B,C,D,Eに該当する金属名を答えよ。

(1)Bは常温でも酸化され、A、D、Eは高温のとき酸化されるがCは加熱しても変化しない。

(2)Bは常温で水と反応し、Aは沸騰水と反応する。

(3)Dの酸化物は水素で還元できる。

(4)A、B、Eは水素を発生し希酸に溶け、Eは水酸化ナトリウムとも反応して水素を発生する。

(5)Dは酸化力のある酸に溶解するが、Cは溶解しない。

     A Mg   B Ca   C Pt   D Cu   E Al

 

7)電池

電池とは

化学変化(酸化還元反応)を利用して、電流を得る装置で、イオン化傾向の異なる2種類の金属を電解質溶液(水溶液中でイオンに電離する物質)に浸したもの。

   イオン化傾向の大きい金属 ・・・ 負極

                     電子↓↑電流  (電流と電子の流れる方向は逆)

   イオン化傾向の小さい金属 ・・・ 正極



電池の種類

  一次電池・・・充電不可 (例) ボルタ電池,乾電池

  二次電池・・・充電可能 (例) ダニエル電池,鉛蓄電池

 

これらの電池の中には実用されてないものもあるが、電池を理解する上ではよい例なので、高校の化学では説明される。



ボルタ電池(ボルタ(伊)1799年)

希硫酸に亜鉛板と銅板を電極とした電池。

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電池式(電池の構造を表した式。電極と電解質を示す。

| |の中に電解質を、両端に電極にを示す

 

(-) Zn|H2SO4aq|Cu (+)

 

イオン化傾向・・・( Zn > Cu )より、

Zn板:負極 Cu板:正極

 

負極 Zn → Zn2+ + 2e-

正極 2H+ + 2e- →  H2

全電池反応 Zn + 2H+ → Zn2+ + H2

 

 

 

    イオン化傾向の大きな亜鉛がイオン化して、電子e-を放出。(図中①)電子e-は、導線を通り、Cu板上へ。そこで、希硫酸H2SO4(H+ + SO42-)のH+が電子を受け取る。(図中②)この①,②によって一方に電子が流れる。

 この電池は、起電力が最初約1.1Vであるが最後は0.4V位まで下がってしまう。この現象を分極という。

 

分極の原因

 1 正極で生成したH2の気泡が極板表面を覆ってしまって、2H+が近づくのを妨げる。

 2 正極で生じたH2とCu板との間で新たな電池を形成してしまい、H2はCuよりもイオン化傾向が大きいため、

H2 → 2H+ + 2e- の逆の反応が起こり、電子が逆に流れる。その結果、急激に起電力が低下してしまう。

 

分極を防ぐにためには、発生するH2を酸化してH20にする。過酸化水素などの酸化剤を加えておけばよい。この酸化剤を減極剤という。



ダニエル電池(ダニエル(英)1836年)

電解質は硫酸亜鉛水溶液,硫酸銅(Ⅱ)水溶液を素焼き板で仕切り、負極と正極で濃度差をつけておく。

 

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電池式 (-)Zn |ZnSO4aq∥CuSO4aq| Cu(+)

 

イオン化傾向・・・( Zn > Cu )より、

Zn板:負極 Cu板:正極

 

負極 Zn → Zn2+ + 2e-

正極 Cu2+ + 2e- → Cu

全電池反応 Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

 

☆ボルタ電池と異なり分極が起こらない。

☆充電可能

 

素焼き板は微細な孔をもち、Cu2+,Zn2+,SO42-などのイオンは通過することができるが、ZnSO4水溶液とCuSO4水溶液の拡散による混合を防いでいる。SO42-は正極側と負極側で濃度に差が生じるため、これを均一にしようとして負極側へ移動する(図中①)。負極側ではマイナスイオンが多くなるので、これを電気的に中性にするためにZnが電子を放出してZn2+が生成する(図中②)。一方、正極側ではSO42-の移動によりプラスイオン(Cu2+)が余っている。このCu2+が電子を受け取る(図中③)。



乾電池(マンガン乾電池)

電池の電解質をのり状にして、こぼれないようにしたのが乾電池であり、マンガン乾電池が最もよく使われる。反応は複雑なので覚える必要はない。

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電池式 (-)Zn|NH4Claq|MnO2,C(+)

 

負極  Zn → Zn2++e-

Zn2++4NH4+→ [Zn(NH3)4]2++4H+

 

正極  2H++2e- → H2

 

☆発生したHはMnOによってすみやかに酸化され   

Oになる。すなわちMnOは減極剤となる

 



鉛蓄電池

希硫酸を電極とし、鉛Pbを負極、酸化鉛(Ⅳ)PbO2を正極とした電池で、実用的な最もよく利用される二次電池であり、車のバッテリーに使われている。

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電池式 (-)Pb|H2SO4aq|PbO2(+)

 

負極 (PbとSO42-が反応)

鉛は硫酸と反応し、硫酸鉛の沈殿が生じ電子が放出される。(図中①)  Pb + SO42- → PbSO4 + 2e- 

 

正極

導線と通って正極に来た電子は、硫酸の水素イオンH+が受け取る。(図中②) このままでは、H2が発生して、分極が起こってしまう。しかし、この電池は分極が起こらないようになっている。

 

・H+がe-を受け取りH2となる 

→H2はPbO2と反応してPbとH2Oになる

→ PbはとSO42-反応してPbSO4となる。

 

4H+ + 2e- + PbO2 + SO42- → PbSO4 + 2H2O

 

☆ 鉛蓄電池では正極と負極で同じ物質が生成する。 PbO2は正極であり、減極剤にもなっている。

全電池反応

(負極の反応 + 正極の反応) Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- → 2PbSO4 + 2H2O

(4H+ + 2SO42-を2H2SO4にまとめる) Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O

充電・・・放電の逆



問題 鉛蓄電池の負,正極で起こる化学反応式をまとめると、次のようになる。後の問に答えよ。

         Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O

 

(1)放電したときに両極で起こる反応をそれぞれイオン反応式で示せ。

(2)放電したとき硫酸の比重はどうなるか。次のうちから選べ。

   (ア)増加する (イ)減少する (ウ)変化しない

 

(3)放電したときに電子は導線中をどのような方向に流れるか。次のうちから選べ。

    (ア)電流と同じ方向 (イ)負極から正極へ (ウ)変化しない

 

 (4)鉛蓄電池の物質中で減極剤の働きをするのはどれか。次のうちから選べ。

    (ア)PbO2 (イ)Pb (ウ)H2S



(1)負極 Pb + SO42- → PbSO4 + 2e- 

正極 4H+ + 2e- + PbO2 + SO42- → PbSO4 + 2H2O

(2)与えられた反応式より、H2SO4が消費されるので、比重は減少する。

(3)電池では必ず電子は負極から正極へ流れる。

 (4)発生する水素H2を酸化できるもの(Oを持っているもの)だから、PbO2



問題

次の電池について、下の各問に答えよ。ただし、電池を表すときは一般に負極 ▏電解質溶液 ▏正極 と表すが、下記の式は左側が負極とは限らない。

 

 (電池) (ア)Ag ▏HClaq ▏Sn  (イ)Fe ▏H2SO4aq ▏Cu  (ウ)Cu ▏H2SO4aq ▏Zn 

(エ)Cu ▏CuSO4aq║ZnSO4aq ▏Zn  (オ)PbO2 ▏H2SO4aq ▏Pb

 

 (1) (ア),(イ)の電池を放電させたとき、正極となる電極をそれぞれ元素記号で記せ。

 (2) (ア)の電池を放電させたとき、負極で起こる反応をイオン反応式で表せ。

(3) (ウ),(エ),(オ)の電池の名称をそれぞれ記せ。

 (4) (ウ)の電池の起電力は初め約1.1Vであるが、すぐに0.4Vくらいまで低下してしまう。この現象を分極というが、分極の起こる理由と分極を防ぐための方法を述べよ。

 (5) (エ)の電池では2種類の電解質溶液を用いているが、起電力を上げるにはこの2種類の濃度をどのように設定するのがよいか、次の中から選び記号で答えよ。

      ① CuSO4aq=ZnSO4aq ②CuSO4aq>ZnSO4aq ③CuSO4aq<ZnSO4aq

 (6) (オ)の電池の正極・負極の反応を合わせた全電池反応を記せ。またその中で酸化されているものと、還元されているものの物質名を答よ。

 (7) (ア)~(オ)の中で、分極の起こらないものはどれか記号で答えよ。



(1) イオン化傾向が大きい方が負極だから、正極はイオン化傾向が小さい方

   (ア)Ag ,(イ)Cu

 (2) 負極では、必ず金属がイオン化して、電子が放出される。

    (ア)の場合、Snをイオン化させればよい。 Sn → Sn2+ + 2e-

(3) これは知っているかどうかの問題

(ウ)ボルタ電池 (エ)ダニエル電池 (オ)鉛蓄電池

 (4) 分極のことを聞いている。分極の起こる理由は正極で水素イオンH+が電子を受け取り、発生した水素H2が極板を覆い、水素イオンが極板に近づくのを妨げたり、銅板(極板)との間で新たな電池が形成されてしまうから。分極を防ぐには、適当な酸化剤を加え、発生した水素を酸化して水に変える。

(5) この電池は、両極とも電解質溶液に硫酸イオンSO42-が含まれている。負極の亜鉛をイオン化するためには、負極側を-に偏らせる必要がある。陽極側の濃度を高くしておくと、硫酸イオンのバランスを均一にしようとするため、硫酸イオンは陰極側に移動し、陰極側が-に偏る。つまり、CuSO4aq>ZnSO4aq

 (6) 全電池反応:Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O

    電池では、陰極が酸化、陽極が還元されている。酸化されているもの:鉛  還元されているもの:酸化鉛(Ⅳ)

(7) 水素が発生しないもの選ぶ。電解質にHが含まれていないもの(酸でないもの)(エ)、または酸が使われていても減極剤が含まれているもの(オ)。



8)電気分解

電気分解(電解)とは

電解質の水溶液や融解塩(電解質を加熱融解したもの)に、2本の同じ金属を電極として入れて、直流電流を通じると電極で化学反応が起こる。この現象を電気分解という。電気分解で、-極は陰極、+極は陽極という。

 

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陰極・・・陽イオンが引かれる

陽イオンは陰極で電子を得る(還元) 

 

陽極・・・陰イオンが引かれる

陰イオンは陽極で電子を失う(酸化)

 

 

 (注意)電池では… 正極(還元),負極(酸化)  電気分解では … 陽極(酸化),陰極(還元)              

 電気分解によって両極で起こる変化は、極板や電解液の種類によって異なる。電極は通常Cu,Ag,Pt,Cなどのイオン化傾向の小さいものを用いる。極板の種類によって極板上で起こる反応が異なることがあるので注意!!

 

陰極での反応

陰極では水溶液中の陽イオンが引きつけられ、電子を受け取る(還元)反応が起こる。

・Ag,Cu2+などのイオン化傾向の小さい金属のイオンとHは還元されやすく、これらのイオンは還元されて(電子を受け取って)金属(Hの場合はH)が析出(発生)する(極板に付着する)。

(例) Ag + e- → Ag

            Cu2+ + 2e- → Cu

            2H+ + 2e- → H2

 

・K,Ca2+,Naのようなイオン化傾向の大きい金属のイオンは安定で還元されにくく、これらの水溶液では水分子が還元されて水素が発生する。

        2H2O + 2e- → 2OH- + H2

 注・・・ イオン化傾向が中間のもの(Zn,Fe,Ni,Sn,Pbのイオン)は電気分解の電圧にもよるが、一般に金属のイオンの還元と水分子の還元が同時におこる。

 

陽極での反応

陽極では水溶液中の陰イオンが引きつけられ、電子を放出する(酸化)反応が起こる。

 

極板にPtやCを用いた場合

 ・OH-,Cl-,Br-,I-のようなイオンは酸化されやすくOH-は酸化されて酸素O2を発生し、Cl-,Br-,I-は酸化されて単体となる。

(例) 4OH- → 2H2O + O2 + 4e-

         2Cl- → Cl2 + 2e-



・NO3-,SO42-のようなイオンは酸化されにくく、これらの水溶液では水分子が酸化されて酸素が発生する。

2H2→ O2 + 4H+ +4e-

 極板にCuやAgを用いた場合

  Cu,Agやこれらよりもイオン化傾向大きい金属は、陽極に用いると電極自身が酸化されて溶けてしまう。



電気分解のまとめ

陰極での反応(陽イオンが還元される)         

 

,Ca2+,Na

(イオン化傾向が大きい金属のイオン)

これらのイオンではなく、H2Oが還元される。

2H2O + 2e- → 2OH- + H2

 
 

Ag,Cu2+,H

(水素イオンおよびイオン化傾向が小さい金属のイオン)

これらのイオンが還元される。

2H+ + 2e- → H2

 

Cu2+ + e- → Cu

 

Ag + e- → Ag

 

陽極での反応(陰イオンが酸化される)Pt,C電極

 

NO3-,SO42-

(酸化されにくいイオン)

これらのイオンではなく、H2Oが酸化される。

2H2O→ O2 + 4H+ +4e-

 
 

OH-,Cl-,Br-,I-

(酸化されやすいイオン)

これらのイオンが酸化される。

4OH-→ 2H2O + O2 + 4e-

 


2Cl-→ Cl2 + 2e-

2Br-→ Br2 + 2e-

2I-   → I2  + 2e-

 

注:Cu,Agを陽極に使った場合は電極が酸化されてイオン化して溶けてしまう

 



問題次の水溶液や融解液の電気分解の反応を記せ。

電解液

電極

陰極の反応式

陽極の反応式

① NaOH水溶液

Pt

 

 

② H2SO4水溶液

Pt

 

 

③ NaCl水溶液

 

 

④ AgNO3水溶液

Pt

 

 

⑤ AgNO3水溶液

Ag

 

 

⑥ CuSO4水溶液

Pt

 

 

⑦ CuSO4水溶液

Cu

 

 

⑧ NaCl融解液

 

 

 

それぞれ、イオンに電離させて、何が反応するか考える。

①Na+とOH-  ②H+とSO42-  ③ Na+とCl-  ④ Ag+とNO3-

⑤Ag+とNO3- (陽極がAgであることに注意)

⑥Cu2+とSO42- ⑦Cu2+とSO42-(陽極がCuであることに注意)

⑧Na+とCl- (融解液であることに注意。水が無いのでNa+が反応する)

電解液

電極

陰極の反応式

陽極の反応式

① NaOH水溶液

Pt

2H2O + 2e- → 2OH- + H2

4OH- → 2H2O + O2 + 4e-

② H2SO4水溶液

Pt

2H+ + 2e- → H2

2H2→ O2 + 4H+ +4e-

③ NaCl水溶液

2H2O + 2e- → 2OH- + H2

2Cl- → Cl2 + 2e-

④ AgNO3水溶液

Pt

Ag + e- → Ag

2H2→ O2 + 4H+ +4e-

⑤ AgNO3水溶液

Ag

Ag + e- → Ag

Ag → Ag + e-

⑥ CuSO4水溶液

Pt

Cu2+ +2e- → Cu

2H2→ O2 + 4H+ +4e-

⑦ CuSO4水溶液

Cu

Cu2+ + 2e- → Cu

Cu → Cu2+ + 2e-

⑧ NaCl融解液

Na+ + e- → Na

2Cl- → Cl2 + 2e-



9)ファラデーの電気分解の法則

 「電極で起こる化学変化の量は、通じた電気量に比例する。」

  電子1個のもつ電気量 = 1.60×10-19 [C]  (単位C:クーロン)

      

  電子1molのもつ電気量 = 1.60×10-19 × 6.02×1023 ≒ 96500 [C]

  ☆ ここで、e- 1mol = 96500 C つまり、96500[C/mo]。これをファラデー定数という。

  すなわち、96500Cの電気量が流れると、陰極では電子1molを受け取る変化と、陽極では電子1molを失う変化が起こることになる。

 

例)硝酸銀AgNO3水溶液の電気分解(白金電極) (Ag = 108)

  陰極 Ag + e- → Ag  係数より、e- 1molでAg1mol析出

陽極 2H2→ O2 + 4H+ +4e- 係数より、e- 4molでO21mol発生

したがって、96500Cの電気量によって、e- 1mol分の反応が起こるから、

陰極(Ag 1 mol = 108 g 析出

陽極(O2 0.25mol = 標準状態で 22.4×0.25 = 5.6l発生

また、電気量Q=電流i [A] × 時間t [秒] ・・・ Q = it

 

問題34 次の各問に答えよ。

    (1)2.0Aの電流を1時間流した。流れた電気量は何クーロンか。

    (2)2.0Aの電流で9650Cの電気量を得た。電流を流した時間は何秒か。

 

(1) Q = itより、 2.0×1×60×60 = 7200 [C]

    (2) Q = itより、9650 = 2.0×x  x = 4825[秒]

 

問題35 硫酸銅(Ⅱ)水溶液を白金電極を用いて、0.50Aの電流を1930秒間流し電気分解した。下の(1),(2)をそれぞれ求めよ。(原子量:Cu = 64)

  (1)陽極で発生する気体は何か。また、標準状態でその体積は何mlか。

  (2)陰極で析出する金属は何か。また、何gか。



   この水溶液を電気分解するときに流れた電気量はQ = itより

0.50×1930 = 965 [C]

CuSO4の水溶液からはCu2+とSO42-がイオンとして存在する。

(1)陰極では、H2Oが反応 2H2→ O2 + 4H+ +4e-

反応式の係数より、電子4mol (96500×4C) から酸素1mol (22.4)発生するので、965 Cでは、

    96500×4 : 22.4 = 965 : x  x = 0.056[l] = 56[m]

酸素が56[m]

(2)陽極では、Cu2+が反応  Cu2+ + 2e- → Cu

反応式の係数より、電子2mol (96500×2C) から銅1mol (64g)生成するので、965 Cでは、

    96500×2 : 64 = 965 : x  x = 0.32  

銅が0.32[g]