働きアリ

勉強をしている子どもたちが、悩み、知りたい、理解したいと思いながら、今までは調べる方法がなかった事柄を、必要かつ十分な説明でわかりやすく記述したサイトです

酸化

science イオン化傾向と酸化・還元、電池

なぜ鉄はさびやすく金はさびないのか、なぜ亜鉛板と銅板を電解質の水溶液に入れると亜鉛板が陰極で銅板が陽極の電池になるのか、中学理科の範囲だとその理由までは習いません。

「なぜ」を習わないままに結果を暗記してもよいのですが、「なぜ」が気になる人もいるでしょう。

この稿では、『イオン化傾向』についてまとめることで、その「なぜ」を解明したいと思います。


イオン化傾向とは

金属は、−の電気を帯びた電子を手ばなして、+の電気を帯びた陽イオンになります(イオンについてはこちらを参照)。
金属には陽イオンになりやすい金属と陽イオンになりにくい金属があり、陽イオンへのなりやすさのことをイオン化傾向といいます。

イオン化傾向を、陽イオンになりやすい順に並べると次のようになります。

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

Kカリウム>Caカルシウム>Naナトリウム>Mgマグネシウム>Alアルミニウム>Zn亜鉛>Fe鉄>Niニッケル>Snスズ>Pb鉛>(H)水素>Cu銅>Hg水銀>Ag銀>Pt白金>Au金

重要なのでいろいろ覚え方が考案されてきたのですが、私は次の覚え方を気にいっています。

貸そうかな、まあ、あてにするな、ひどすぎる借金

Kそう>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Snる>Pb>(H)>Cu>Hg>Agる>しゃっPt>きんAu

水素は英語でhydrogenハイドロジェンなので「ひ」です。
水素は金属ではありませんが、陽イオンになる代表的な元素のひとつであり、イオン化傾向がからんでくる分野で重要なので、イオン化傾向の暗記の列に加えます。


イオン化傾向を調べる実験

銀イオンをふくんでいる硝酸銀水溶液の中に、銅を入れます。
イオン化傾向
しばらくすると、銅のまわりに銀色の物質が付着し、水溶液は青色に変化します。

銅のまわりに付着した銀色の物質は銀です。

水溶液が青色に変わるのは、銅が青色の銅イオンにかわり、水溶液に溶けたためです。

銅は電子を放出して銅イオンになります。
銅→銅イオン+電子
銅の電離


銀イオンは銅が放出した電子と結びついて銀になります。
銀イオン+電子→銀
銀の析出


銅が電子を手ばなして銅イオンにかわり、銀イオンが電子を受け取って銀にかわったのは、銅のほうが銀より陽イオンになりやすいからです。
つまり、イオン化傾向が銅>銀だからです。

同様に、銅イオンをふくむ青色の硫酸銅水溶液に鉄を入れると、鉄の表面に銅が付着し、青色であった硫酸銅水溶液は鉄イオンが溶けたために鉄イオンの色である緑色にかわります。
鉄のほうが銅より陽イオンになりやすいのです。
イオン化傾向は鉄>銅ということになります。

イオン化傾向の小さい金属のイオンをふくむ水溶液に、イオン化傾向の大きい金属を入れると、イオン化傾向の小さい金属のイオンはイオンであることをやめて金属になって付着します。イオン化傾向の大きい金属はイオンになって水溶液に溶けます。


イオン化傾向と酸化や還元などの化学反応

イオン化傾向が大きい金属ほど空気や酸や水と反応しやすいといえます。


金属と空気の反応

イオン化傾向のきわめて大きいカリウム〜ナトリウムは、加熱しなくてもすぐに空気中の酸素と結びつき酸化されます。

次にイオン化傾向の大きいマグネシウム・アルミニウムは、加熱すると酸化されます。

亜鉛〜水銀は、高い温度で加熱すると酸化されます。

イオン化傾向の小さい銀〜金は酸化されません。

K>Ca>Na・・・加熱しなくても酸化
Mg>Al
・・・加熱すると酸化
Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>(H)>Cu>Hg
・・・高温で加熱すると酸化
Ag>Pt>Au
・・・酸化しない



イオン化傾向が大きい=酸化されやすいということは、イオン化傾向が大きい=還元されにくいということです。


さらに、空気との反応以外の例として、イオン化傾向の大きいマグネシウムやアルミニウムなどの金属は、酸化物にふくまれている酸素と結びつき容易に酸化されます(酸化と同時に還元がおこるので、酸化物のほうは酸素をうばわれて還元されます)。

例えば、二酸化炭素に火をつけたマグネシウムを入れると、イオン化傾向の大きいマグネシウムは二酸化炭素にふくまれる酸素と結びついて酸化マグネシウムにかわり、二酸化炭素は酸素をうばわれて炭素にかわります。


金属と酸との反応

とは水素イオンをふくむ化合物であり、イオン化傾向が水素より大きい金属であるカリウム〜鉛を酸に入れると金属は陽イオンに変わり、酸の水素イオンは陽イオンであることをやめて気体の水素になって出てきます。

K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb・・・酸に入れると水素を発生
>(H)>
Cu>Hg>Ag>Pt>Au
・・・酸に入れても水素を発生しない



中学生は以上の原則を知っていたらそれで充分ですが、実際に酸に金属を入れたときの反応は次のようになります。

イオン化傾向の大きいカリウム〜鉄は、うすい塩酸や硫酸と反応して水素を発生します。

ニッケル〜鉛は、うすい酸とはほとんど反応しません。

銅〜銀は、硝酸や熱した濃い硫酸とだけは反応して溶けます。

白金と金は、濃い硝酸と濃い塩酸を1:3の割合で混合した王水とよばれる混合液とだけ反応して溶けます。

K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe・・・うすい塩酸や硫酸と反応し水素を発生
Ni>Sn>Pb
・・・うすい塩酸や硫酸とは反応しにくい
Cu>Hg>Ag
・・・硝酸と熱した濃い硫酸とだけに反応
Pt>Au
・・・王水とのみ反応



金属と水との反応

イオン化傾向の大きいカリウム〜ナトリウムは、水と激しく反応して水素を発生します。


イオン化傾向と電池

うすい塩酸や硫酸に、導線で結ばれた2種類の金属板を入れたものが化学電池です。

うすい塩酸に導線でつないだ亜鉛と銅を入れたときを考えてみましょう。

イオン化傾向が大きい亜鉛は電子を手ばなして亜鉛の陽イオンにかわり、塩酸に溶け出します。
電子は導線を通ってイオン化傾向が小さい銅のほうへ移動します。
塩酸にふくまれている陽イオンの水素イオンは銅から電子を受け取って気体の水素になって銅の表面に付着します。
亜鉛と銅の化学電池


















亜鉛から導線を通って銅に移動する電子の流れが電流です。
「電子が−極(陰極)である亜鉛から+極(陽極)である銅に移動する」ことを、「電流は+極(陽極)の銅から−極(陰極)の亜鉛へ流れる」といっているのです。


最初に電池をつくったのはボルタです(電圧の単位ボルトはボルタに由来)。
ボルタのつくった電池は、うすい硫酸に亜鉛板と銅板を入れたものでした。


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science 酸化・燃焼・さび

酸化

中学理科の範囲では、物質が酸素化合して別の化合物になることを酸化といいます(高校範囲になると酸化の意味が広がります)。

身近な例で観察される酸化には次の3つのものがあります。

燃焼・・・物質が燃えるとき、光と熱を出して別の物質にかわります。物質が「燃える」とは酸素と結びつくことです。燃焼は代表的な酸化の例です。

さび・・・鉄や銅は、放置しておくと表面から色がかわりもろくなっていきます。これは鉄や銅が空気中の酸素と化合して酸化鉄、酸化銅にかわるからです。

その他・・・りんごの皮をむいてしばらくするとりんごの表面の色がかわります。これも酸化の一種です。


酸化物

酸化によってできた物質を酸化物といいます。

が酸化されると酸化銅マグネシウムが酸化されると酸化マグネシウムというように、「酸化+もとの物質名」でよばれることが多いのですが、炭素の酸化物は二酸化炭素、水素の酸化物はです。

また、鉄が酸化されると酸化鉄になりますが、実は酸化鉄にはいくつかのものがあります。
スチールウール(鉄を細い線状にしたもの)を燃焼させたとき、完全燃焼すると鉄原子2個と酸素原子3個が結びつき、三酸化二鉄とよばれる酸化鉄ができます(赤さびと同じもの、酸化鉄(III)と表記する)。酸素が充分でないと鉄原子3個と酸素原子4個が結びついた四酸化三鉄とよばれる酸化鉄ができます(黒さびと同じもの、酸化鉄(II,III)と表記する)。他に、1個の鉄原子と1個の酸素原子が結びついた酸化鉄(酸化鉄(II)と表記する)もあります。


燃焼

いわゆる「物質が燃える」反応が燃焼です。発熱反応の一つです。

理科では、「物質がを出しながら激しく酸素と結びつくこと」を燃焼と定義します。

燃焼は、3種類に分類できます。

金属の燃焼・・・「酸化+もとの物質名」ができます。銅が燃焼すると酸化銅、マグネシウムが燃焼すると酸化マグネシウムができます。

炭素水素の燃焼・・・炭素が燃焼すると二酸化炭素、水素が燃焼すると水ができます。

有機物の燃焼・・・有機物は炭素と水素を含んでいるので燃焼すると二酸化炭素と水ができます。


金属の燃焼

銅+酸素→酸化銅

赤かっ色(「せっかっしょく」と読み、赤茶色のこと)の銅を空気中で加熱すると黒色の酸化銅ができます。

酸化銅は、もとの銅とはまったく別の物質です。

銅の酸化

酸化銅は結びついた酸素の質量の分だけもとの銅より質量が増えます(質量保存の法則)。

銅と、結びつく酸素の質量の比は決まっており、銅4:酸素1の割合で結びついて5の割合の酸化銅ができます(定比例の法則)。


マグネシウム+酸素→酸化マグネシウム

銀色のマグネシウムを空気中で加熱すると白色の酸化マグネシウムができます。

酸化マグネシウムは、もとのマグネシウムとはまったく別の物質です。

マグネシウムの酸化

酸化マグネシウムは結びついた酸素の質量の分だけもとのマグネシウムより質量が増えます(質量保存の法則)。

マグネシウムと、結びつく酸素の質量の比は決まっており、マグネシウム3:酸素2の割合で結びついて5の割合の酸化マグネシウムができます(定比例の法則)。

マグネシウムは、燃焼を始めると加熱をやめても燃焼し続けます。


炭素の燃焼

炭素+酸素→二酸化炭素

木炭(炭素)を燃焼させると二酸化炭素になります。

炭素の燃焼

二酸化炭素ができたことは石灰水が白くにごることで確かめることができます。

木炭はほとんど炭素でできていますが、木炭に含まれていた炭素以外のものが灰として残ります。


水素の燃焼

水素+酸素→水

空気の混ざっていない水素を燃焼すると青い炎を出して燃えてになります。空気が混ざっていると爆発してになります。

水素の燃焼

水ができたことは、水素を入れていた容器の内側が水で白くくもることや、塩化コバルト紙の色が青色から赤色にかわることで確かめることができます。


有機物の燃焼

ろうエタノール、天然ガス(おもな成分はメタン)、石油、プラスチック、紙などの有機物を燃焼させると、二酸化炭素ができます。

エタノールを燃焼させたときの化学反応式
エタノールの燃焼


有機物は炭素水素を含んでいるので、含まれていた炭素は酸化されて二酸化炭素に、含まれていた水素は酸化されて水にかわります。


さび

さびは、物質がおだやかに酸素と結びつく反応です。

物質がさびるとき、光は出ませんがを発生します。

物質がさびるときに熱が出ることを利用したものが使い捨てカイロです。

使い捨てカイロは鉄の酸化の速度を速くして、そのときに発生する熱を活用するものです。
使い捨てカイロの中には、酸化される鉄粉と、酸化の速度を早めるための水(バーミキュライトとよばれる土の中に含まれている)や食塩、酸素の供給をうながすための活性炭などが含まれています。
カイロを使用する前に酸化が始まらないように、空気を遮断する特殊なフィルムで包装されており、包装を破ることで空気が供給されて酸化が始まり、熱を発生します。


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