カテゴリー: 化学基礎

電解質の水溶液に電極を浸し、外部電源を用いて直流電流を流すと、電極表面で酸化還元反応が起こります。これを電気分解といいます。

電気分解では、外部電源の正極につないだ電極を陽極、外部電源の負極につないだ電極を負極といいます。

陽極は正の電気が流れ込む向きなので、電子が流れ出る反応が起こります。すなわち、陽極では酸化反応が起こります。

陰極は電子が流れ込むので、還元反応が起こります。

例えば、黒鉛（炭素）を電極として、塩化銅 CuCl₂ 水溶液を電気分解します。

このとき陽極では酸化反応が起き、水溶液中の塩化物イオン Cl^－ が電子を放出し、気体の塩素 Cl₂ が生じます。

陰極では還元反応が起き、水溶液中の銅(Ⅱ)イオン Cu²⁺ が電子を受け取り、Cu となって陰極に付着します（析出するといいます）。

陽極の反応は　　2 Cl^－　→　Cl₂　+　2 e^－

陰極の反応は　　Cu²⁺　+　2 e^－　→　Cu

電池とは

生活を便利にする電池は、身の回りのいたるところに存在しています。この電池は、酸化還元反応によって生じる化学エネルギーを、電気エネルギーに変換するために使われています。

2 種類の金属板を導線でつないで電解質の水溶液に浸したとき、イオン化傾向の大きな金属が陽イオンになるとします。

このとき金属が溶け電子が放出されている金属板から、もう一方の金属板へ電子が移動します。

この 2 種類の金属を電極といい、電子を放出して酸化反応が起こっている金属板を負極、電子が流れ込み還元反応が起こっている金属板を正極といいます。

負極と正極のあいだで発生した電位差のことを、電池の起電力といいます。

電子は負極から正極へ流れます。

正の電気の流れの向きが電流の向きと決められているので、電流は正極から負極へ流れます。

電池の正極から負極へ電流を流すことを、電池の放電といいます。

これに対し、ある程度放電した電池を外部電源につなぎ、放電とは逆向きに電流を流して、電池を放電前の状態に戻すことを充電といいます。

充電して繰り返し使える電池を二次電池、充電できない電池を一次電池といいます。

さまざまな電池

電池の構造は、電池式と呼ばれる簡単な式で表すことができます。

左に負極、右に正極、中央に電解質を書き、｜｜で区切ります。aq は水溶液を意味します。

例えば、(－) Zn｜H₂SO₄ aq｜Cu (＋) であれば、負極は亜鉛で正極は銅、電解質は希硫酸という電池を表します。

ボルタ電池

1800 年頃にイタリアの科学者ボルタが発明した電池を、ボルタ電池といいます。ボルタ電池の電池式は (－) Zn｜H₂SO₄ aq｜Cu (＋) です。

負極が亜鉛、正極が銅、電解質水溶液は希硫酸となります。

負極の反応は　　Zn　→　Zn²⁺　+　2 e^－　　です。

正極の反応は　　2 H⁺　+　2 e^－　→　H₂　　です。

電池全体の反応は　　Zn　+　2 H⁺　→　Zn²⁺　+　H₂　　です。

ダニエル電池

1836 年にイギリスの科学者ダニエルが発明した電池を、ダニエル電池といいます。ダニエル電池の電池式は (－) Zn｜ZnSO₄ aq｜CuSO₄ aq｜Cu (＋) です。

負極と正極のあいだは、水溶液が混ざらないようにセロハンや素焼き板で分けられています。

セロハンや素焼き板は、イオンを通します。

負極が亜鉛、負極側の電解質は薄い硫酸亜鉛水溶液、正極が銅、正極側の電解質は濃い硫酸銅(Ⅱ)水溶液となります。

負極の反応は　　Zn　→　Zn²⁺　+　2 e^－　　です。

正極の反応は　　Cu²⁺　+　2 e^－　→　Cu　　です。

電池全体の反応は　　Cu²⁺　+　Zn　→　Cu　+　Zn²⁺　　です。

Zn や Cu²⁺ のように、電極で電子の受け渡しをする物質を、活物質といいます。

鉛蓄電池

鉛蓄電池は充電ができる二次電池です。鉛蓄電池の電池式は (－) Pb｜H₂SO₄ aq｜PbO₂ (＋) です。

鉛蓄電池を放電すると、正極と負極のどちらも、水に溶けにくい白色の硫酸鉛(Ⅱ) PbSO₄ で覆われてきます。

充電すると、放電とは逆向きの反応が起こります。正極に付着していた PbSO₄ は PbO₂ に、負極に付着していた PbSO₄ は Pb に戻ります。

負極は鉛、電解質水溶液は希硫酸、正極は酸化鉛(Ⅳ)です。

負極の反応は　　Pb　+　SO₄^2－　→　PbSO₄　+　2 e^－　　です。

正極の反応は　　PbO₂　+　4 H⁺　+　SO₄^2－　+　2 e^－　→　PbSO₄　+　2 H₂O　　です。

電池全体の反応は　　Pb　+　PbO₂　+　2 H₂SO₄　⇄　2 PbSO₄　+　2 H₂O　　です。

鉛蓄電池は充電可能です。右側に進む電池全体の反応は放電、左側に進む反応は充電です。

燃料電池

固体高分子形燃料電池は、白金触媒をつけた負極と正極、電解質である固体高分子膜を貼り合わせてできています。

負極には水素 H₂ 、正極には酸素 O₂ が供給されます。

負極では H₂ が電子を放出して H⁺ となります。この H⁺ は固体高分子膜を通り、正極に移動します。

正極では酸素 O₂ と H⁺ が還元反応をして、水 H₂O が生成します。

負極の反応は　　H₂　→　2 H⁺　+　2 e^－　　です。

正極の反応は　　O₂　+　4 H⁺　+　4 e^－　→　2 H₂O　　です。

電池全体の反応は　　2 H₂　+　O₂　→　2 H₂O　　です。

問題演習

確認テスト1

次の文章の空欄に適切な語句を入れましょう。

電池とは、酸化還元反応によって生じる（　A　）エネルギーを、（　B　）エネルギーに変換して取り出す装置です。

酸化反応が起こり電子が流れ出る側を（　C　）、還元反応が起こり電子が流れ込む側を（　D　）といいます。

両極のあいだの電位差を、電池の起電力といいます。

電子は負極から正極へ流れ、電流は（　D　）から（　C　）へ流れます。

充電して繰り返し使える電池を（　E　）または蓄電池といい、充電できない電池を（　F　）といいます。

ダニエル電池の電池式は (－) Zn｜ZnSO₄ aq｜CuSO₄ aq｜Cu (＋) と表され、負極と正極のあいだは、水溶液が混ざらないようにセロハンや素焼き板で分けられています。

ダニエル電池の負極は（　G　）、負極側の電解質は薄い硫酸亜鉛水溶液、正極は（　H　）、正極側の電解質は濃い硫酸銅(Ⅱ)水溶液でできています。

鉛蓄電池の電池式は (－) Pb｜H₂SO₄ aq｜PbO₂ (＋) です。

鉛蓄電池を放電すると、正極と負極のどちらも、水に溶けにくい白色の（　I　）で覆われてきます。

燃料電池は環境への負荷が低いため、現在さかんに研究開発が行われています。燃料電池全体の化学反応は、（　J　）と（　K　）から水が生成します。

実践問題1（2020本第2問問5）

化学電池（電池）に関する記述として誤りを含むものを、次の①～④のうちから一つ選べ。

①　電池の放電では、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。

②　電池の放電時には、負極では還元反応が起こり、正極では酸化反応が起こる。

③　電池の正極と負極との間に生じる電位差を、電池の起電力という。

④　水素を燃料として用いる燃料電池では、発電時（放電時）に水が生成する。

（2020年度センター試験　本試験　化学基礎　第2問問5　より引用）

実践問題2（2016本第2問問7）

電池に関する次の文章中の [ ア ] ～ [ ウ ] に当てはまる語の組合せとして正しいものを、下の①～⑧のうちから一つ選べ。

図 1 のように、導線でつないだ 2 種類の金属（ A・B ）を電解質の水溶液に浸して電池を作製する。このとき、一般にイオン化傾向の大きな金属は [ ア ] され、[ イ ] となって溶け出すので、電池の [ ウ ] となる。

（2016年度センター試験　本試験　化学基礎　第2問問7　より引用）

実践問題3（2015追第2問問6）

電池に関する記述として下線部に誤りを含むものを、次の①～⑤のうちから一つ選べ。

①　導線から電子が流れこむ電極を、電池の正極という。

②　電池の両極間の電位差を起電力という。

③　充電によって繰り返し使うことのできる電池を、二次電池という。

④　ダニエル電池では、亜鉛よりイオン化傾向が小さい銅の電極が負極となる。

⑤　鉛蓄電池では、鉛と酸化鉛(Ⅳ)を電極に用いる。

（2015年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問6　より引用）

実践問題4（2018本第2問問7）

身のまわりの電池に関する記述として下線部に誤りを含むものを、次の①～④のうちから一つ選べ。

①　アルカリマンガン乾電池は、正極に MnO₂ 、負極に Zn を用いた電池であり、日常的に広く使用されている。

②　鉛蓄電池は、電解液に希硫酸を用いた電池であり、自動車のバッテリーに使用されている。

③　酸化銀電池（銀電池）は、正極に Ag₂O を用いた電池であり、一定の電圧が長く持続するので、腕時計などに使用されている。

④　リチウムイオン電池は、負極に Li を含む黒鉛を用いた一次電池であり、軽量であるため、ノート型パソコンや携帯電話などの電子機器に使用されている。

（2018年度センター試験　本試験　化学基礎　第2問問7　より引用）

金属の反応性

空気中での反応

イオン化傾向が大きい金属は、電子を失って酸化され、陽イオンになりやすいです。一般に、イオン化傾向が大きい金属は容易に酸化されるので、反応性が高いといえます。

金属の単体を空気中に放置したとき、イオン化傾向が大きい金属は酸素と結びついて酸化されます。

リチウム Li からナトリウム Na までの金属は、常温で速やかに酸化され、酸化物となります。Li 、K 、Ca 、Na に限らず、アルカリ金属とアルカリ土類金属の元素は、空気中で速やかに酸化されます。

マグネシウム Mg から銅 Cu までの金属は、空気中でゆっくりと酸化され、酸化物が生じます。あるいは、空気中で加熱することで酸化されます。

水銀 Hg から金 Au までの金属は、一般に酸化されません。

まとめると以下の通りです。

水との反応

リチウム Li からナトリウム Na までの金属は、常温で水と激しく反応し、水素 H₂ を発生します。

例えば Na では、電子を相手に与える還元剤としてはたらき、自身は酸化され陽イオンになります。

Na　→　Na⁺　+　e^－　　‥‥(A)

水が電子を受け取り、H₂ が発生します。

2 H₂O　+　2 e^－　→　H₂　+　2 OH^－　　‥‥(B)

（A)(B)をまとめると、次のような化学反応式になります。

2 Na　+　2 H₂O　→　H₂　+　2 NaOH

マグネシウム Mg は常温の水とは反応しませんが、熱水と反応して H₂ を発生します。

アルミニウム Al から鉄 Fe までの金属は、高温の水蒸気とは反応して H₂ を発生します。

例えば Al では、次のように高温の水蒸気と反応して、H₂ を発生します。

2 Al　+　3 H₂O　→　Al₂O₃　+　3 H₂

ニッケル Ni 以降の金属は、水と反応しません。以上をまとめると、以下の通りです。

問題演習

確認テスト1

次の性質を示す金属を考えましょう。

1. 空気中で速やかに酸化される。
2. 空気中で加熱すると酸化される。
3. 空気中で酸化されない。
4. 常温の水と激しく反応して、H₂ を発生する。
5. 熱水と反応して、H₂ を発生する。
6. 高温の水蒸気と反応して、H₂ を発生する。
7. 水とは反応しない。

実践問題1（2017追第2問問3）

金属の Ag 、Al 、Ca 、Fe 、Li を、常温の水および希硫酸に対する反応性で分類した。その分類として最も適当なものを、次の①～⑧のうちから一つ選べ。

（2017年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問3　より引用）

実践問題2（2015追第2問問7）

金属の単体の反応に関する記述として誤りを含むものを、次の①～⑤のうちから一つ選べ。

①　銀は、希硫酸と反応して水素を発生する。

②　カルシウムは、水と反応して水素を発生する。

③　亜鉛は、塩酸と反応して水素を発生する。

④　スズは、希硫酸と反応して水素を発生する。

⑤　アルミニウムは、高温の水蒸気と反応して水素を発生する。

（2015年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問7　より引用）

イオン化傾向

水溶液中で金属の単体が電子を放出して陽イオンになろうとする性質を、金属のイオン化傾向といいます。

陽イオンになりやすい金属を、イオン化傾向が大きい金属といいます。

水溶液中に複数の金属の単体や金属イオンがあるとき、どのような反応をするか考えるのにイオン化傾向は役立ちます。

そこで各金属のあいだで、どちらがイオン化傾向が大きいかを比べると便利です。

陽イオンになりやすい（イオン化傾向の大きい）順に金属を並べたものを、イオン化列といいます。

イオン化傾向が大きい金属から、リチウム、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄、ニッケル、スズ、鉛、（水素）、銅、水銀、銀、白金、金と並びます。

途中にある水素 H₂ は金属でないものの、水溶液中にある水素イオン H⁺ と各金属のどちらが陽イオンになりやすいかを比べられるので、イオン化列に含んでいます。

イオン化列を覚えるのに、「リッチだな、かりるかな、まあ、あてにすんな、ひどすぎるしゃっきん」という、昔からある語呂合わせがとても有効です。

元素記号と、金属の名称の頭文字がだいたい合っているので、非常に覚えやすく実用的です。

では具体的に、金属のイオン化傾向で何がわかるか見てみましょう。

硫酸銅(Ⅱ)水溶液 CuSO₄ に、亜鉛の板を入れたときの反応を考えましょう。

このとき水溶液中には、銅(Ⅱ)イオン Cu²⁺ と硫酸イオン SO₄^2－ 、亜鉛の単体 Zn が存在しています。さらにこの水溶液は弱酸性なので、水素イオン H⁺ や水酸化物イオン OH^ー もあります。

反応で重要なのは Cu²⁺ と Zn です。

銅 Cu と亜鉛 Zn のイオン化傾向を比べると、Zn のイオン化傾向がより大きいです。そのため、Zn の方が陽イオンになりやすいです。

はじめの水溶液では、Cu が陽イオン Cu²⁺ であり、Zn は金属の単体として存在しています。そこで、Cu が金属の単体になり、Zn が陽イオンの Zn²⁺ になるという反応が起こります。

Zn の板は CuSO₄ 水溶液中で溶けて、亜鉛イオン Zn²⁺ になります。これは電子を失うので、酸化反応です。

Zn　→　Zn²⁺　+　2 e^－

逆に水溶液中の銅イオン Cu²⁺ は、イオン化傾向がより大きい Zn が陽イオンになるので、Zn から電子を受け取って Cu になります。

Cu は Zn の板の表面に、固体として付着します。Cu²⁺ が電子を受け取るので、還元反応です。

Cu²⁺　+　2 e^－　→　Cu

イオン化傾向と酸との反応

イオン化傾向が大きい金属は、電子を失いやすく酸化されやすい性質です。イオン化傾向が大きい方が、反応性が大きいといえます。

そこで、イオン化列を見ながら、酸との反応性を考えます。

イオン化列では、鉛 Pb と銅 Cu のあいだに水素 H₂ が入っています。

これより、Pb から Li までのイオン化傾向が大きい金属は、H より陽イオンになりやすいと考えられます。

つまり Pb から Li までの金属は、酸である水素イオン H⁺ が同じ水溶液に存在したとき、H⁺ に電子を与えて自分が陽イオンになります。

そこで（少し例外はあるものの）、一般に、イオン化傾向が Li から Pb までの金属は、酸に溶けるといえます。

逆に H₂ よりイオン化傾向が小さい Cu から Au までの金属は、酸である水素イオン H⁺ が同じ水溶液に存在しても、陽イオンにはなりません。

そこで（少し例外はあるものの）、一般に、イオン化傾向が Cu から Au までの金属は、酸に溶けないといえます。

酸に溶けると水素 H₂ が発生

H₂ よりイオン化傾向が大きい金属が酸に溶ける場合、H⁺ に電子を与えて酸化されるという反応が起こります。

そのため、金属が溶けて発生する気体は水素 H₂ です。

例えば、アルミニウム Al が塩酸に溶けたとき、水素 H₂ が発生します。Al が電子を放出して陽イオンとなり、H⁺ が電子を受け取って気体の H₂ になります。

Al　→　Al³⁺　+　3 e^－

2 H⁺　+　2 e^－　→　H₂

両式をまとめて整理すると

2 Al　+　6 H⁺　→　2 Al³⁺　+　3 H₂

塩酸に溶かしているので、化学反応式を完成させると以下のようになります。

2 Al　+　6 HCl　→　2 AlCl₃　+　3 H₂

Al、Fe、Ni は不動態をつくる

H₂ よりイオン化傾向の大きい金属は酸に溶けます。しかし例外として、アルミニウム Al と鉄 Fe 、ニッケル Ni は、濃硝酸や熱濃硫酸には溶けません。

濃硝酸や熱濃硫酸は酸化力が強いので、Al 、Fe 、Ni と接触すると、金属表面に緻密な酸化被膜が生じます。そのため、それ以上反応が進まなくなり、表面が酸化されるだけで溶けません。

このように、表面に酸化物の被膜ができて、内部の金属が保護される状態を不動態といいます。

酸化力のある酸に溶ける

H₂ よりイオン化傾向の小さい金属は酸に溶けません。しかし例外として、銅 Cu と水銀 Hg 、銀 Ag は、硝酸や熱濃硫酸のような酸化力のある酸に溶けます。

またこのとき、金属が溶けても発生する気体は H₂ ではありません。Cu や Hg 、Ag が溶ける反応は酸化還元反応です。

そのため発生する気体は、酸化剤である酸の半反応式で発生する気体になります。

詳しくは「化学基礎　半反応式」の項目を参照してください。反応した酸が希硝酸ならば発生する気体は一酸化窒素 NO 、濃硝酸ならば二酸化窒素 NO₂ 、熱濃硫酸ならば二酸化硫黄 SO₂ です。

復習として、Cu を熱濃硫酸 H₂SO₄ で溶かしてみましょう。

Cu が電子を放出して陽イオンとなるときの半反応式は、

Cu　→　Cu²⁺　+　2 e^－

熱濃硫酸が酸化剤となるときの半反応式は、

H₂SO₄　+　2 H⁺　+　2 e^－　→　SO₂　+　2 H₂O

2 つの半反応式を足し合わせると電子が消去できるので、

Cu　+　H₂SO₄　+　2 H⁺　→　Cu²⁺　+　SO₂　+　2 H₂O　　‥‥(＊)

(＊)式の両辺に 1 個の SO₄^2－ を加えると、酸化還元反応式が完成します。

Cu　+　2 H₂SO₄　→　CuSO₄　+　SO₂　+　2 H₂O

以上のように、Cu は酸化力のある酸である、熱濃硫酸に溶けます。溶けたときに発生する気体は SO₂ です。

王水に溶ける

白金 Pt と金 Au は、王水に溶けます。

王水は、濃硝酸と濃塩酸を体積比 1：3 で混合した、非常に酸化力の強い酸です。

イオン化傾向と酸との反応のまとめは、以下の通りです。

問題演習

確認テスト1

次の図は、金属をイオン化傾向の大きい順に並べたイオン化列です。

1.　ア～エに入る金属名を考えましょう。

2.　次の文章は、ア～エの金属の特徴を記しています。どの金属に当てはまるか考えましょう。

A.　塩酸には溶けないが、濃硝酸には溶ける。

B.　塩酸には溶けるが、濃硝酸には溶けない。

C.　塩酸に溶けて、気体の H₂ が発生する。

D.　酸には溶けないが、王水だけには溶ける。

確認テスト2

亜鉛 Zn を塩酸に入れると、気体を発生させながら溶けます。この化学反応式を考えましょう。

確認テスト3

銅 Cu を希硝酸に入れると、気体を発生させながら溶けます。この化学反応式を考えましょう。

実践問題1（2018追第2問問7）

金属 A と金属 B は、Au 、Cu 、Zn のいずれかである。A と B の金属板の表面をよく磨いて、金属イオンを含む水溶液にそれぞれ浸した。金属板の表面を観察したところ、表 1 のようになった。A と B の組合せとして最も適当なものを、下の①～⑥のうちから一つ選べ。ただし、金属をイオン化傾向の大きな順に並べた金属のイオン化列は、

Zn ＞ Sn ＞ Pb ＞ Cu ＞ Ag ＞ Au

である。

（2018年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問7　より引用）

実践問題2（2020本第2問問6）

金属の溶解を伴う反応に関する記述として正しいものを、次の①～④のうちから一つ選べ。

①　硝酸銀水溶液に鉄くぎを入れると、鉄が溶け、銀が析出する。

②　硫酸銅(Ⅱ)水溶液に亜鉛板を入れると、亜鉛が溶け、水素が発生する。

③　希硝酸に銅板を入れると、銅が溶け、水素が発生する。

④　濃硝酸にアルミニウム板を入れると、アルミニウム板が溶け続ける。

（2020年度センター試験　本試験　化学基礎　第2問問6　より引用）

実践問題3（2016追第2問問7）

金属および金属イオンの反応性に関する記述として誤りを含むものを、次の①～⑤のうちから一つ選べ。

①　硫酸銅(Ⅱ)水溶液に亜鉛を浸すと銅が析出する。

②　塩化マグネシウム水溶液に鉄を浸すとマグネシウムが析出する。

③　硝酸銀水溶液に銅を浸すと銀が析出する。

④　塩酸に亜鉛を浸すと水素が発生する。

⑤　白金は王水に溶ける。

（2016年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問7　より引用）

酸化還元滴定

酸化還元反応では、酸化によって失われる電子の数と、還元によって受け取る電子の数が等しくなります。

この性質を利用すると、濃度のわからない酸化剤や還元剤の溶液について、滴定の操作を行って濃度を測定することができます。

具体的には、濃度不明な酸化剤（または還元剤）の溶液を、正確な濃度がわかっている還元剤（または酸化剤）で滴定します。

そして、酸化還元反応に使われた酸化剤と還元剤の溶液の体積を正確に量ると、求めたい溶液の濃度が計算できます。

実際の滴定操作は、中和滴定実験と同じように行います。

MnO₄^－ と Mn²⁺

酸化還元滴定では、過マンガン酸カリウム水溶液がよく使われます。

その理由は、酸化還元反応が終了すると溶液の色が変化するので、反応が完了した時点を目で確認できるからです。

過マンガン酸イオン MnO₄^－ は、水溶液中で赤紫色を示します。一方のマンガン(Ⅱ)イオン Mn²⁺ の水溶液は、ほぼ無色です。この違いを利用します。

酸化還元滴定において、ビュレットから MnO₄^－ の入った溶液を、還元剤の入ったコニカルビーカーに滴下します。

このとき、ビュレット内は MnO₄^－ の赤紫色です。しかし、コニカルビーカー内は還元剤によって MnO₄^－ が Mn²⁺ に還元されるので無色です。

酸化還元滴定を始めてからしばらくのあいだは、ビュレット内は赤紫色ですが、コニカルビーカー内は無色の状態が続きます。

それが酸化還元反応が終わった時点で、コニカルビーカーに MnO₄^－ を滴下しても還元されなくなります。その時点を過ぎてさらに滴下すると、コニカルビーカー内は MnO₄^－ の赤紫色に変化します。

つまり、過マンガン酸カリウム水溶液をビュレットから滴下して、還元剤を入れたコニカルビーカーの溶液が無色から赤紫色に変わり始めたときが、酸化還元反応の完了したときです。

このとき、ビュレットの目盛りを読み取ることで、求めたい溶液の濃度を計算できます。

酸化還元反応の量的関係

酸化還元反応を考えるために、半反応式や酸化還元反応式を書けるように学んできました。学習した目的のひとつは、酸化剤と還元剤が反応する物質量の比を正確に知るためです。

酸化剤と還元剤がいくつの物質量の比で反応するのかわかれば、酸化還元滴定によってこれらの濃度を正確に計算できます。

酸化剤と還元剤が直接どれだけの物質量の比で反応するか考え、計算することができます。

または、酸化剤が受け取る電子の物質量と、還元剤が失う電子の物質量が等しくなることを利用して計算することもできます。

過酸化水素と過マンガン酸カリウムの反応を例にして、練習してみましょう。

物質量の比で考える

例題

『　濃度不明の過酸化水素水 10.0 mL をコニカルビーカーにとり、希硫酸を加えたのち、0.10 mol/L 過マンガン酸カリウム水溶液をビュレットから滴下すると、6.0 mL 滴下したところで赤紫色が消えなくなった。過酸化水素水のモル濃度（X mol/L ）を求めよ。　』

まずは、酸化剤である過マンガン酸カリウム KMnO₄ と還元剤 H₂O₂ の半反応式を書きます。

MnO₄^－　+　8 H⁺　+　5 e^－　→　Mn²⁺　+　4 H₂O　　‥‥(A)

H₂O₂　→　O₂　+　2 H⁺　+　2 e^－　　‥‥(B)

(A)式を 2 倍、(B)式を 5 倍して、両式を足し合わせると電子が消せます。

2 MnO₄^－　+　16 H⁺　+　10 e^－　→　2 Mn²⁺　+　8 H₂O

5 H₂O₂　→　5 O₂　+　10 H⁺　+　10 e^－

足し合わせると

2 MnO₄^－　+　6 H⁺　+　5 H₂O₂　→　2 Mn²⁺　+　8 H₂O　+　5 O₂　　‥‥(C)

(C)式は酸化還元反応式まで至っていませんが、この段階でも滴定の計算はできます。

MnO₄^－ が 2 モルと、H₂O₂ が 5 モルの比で反応することがわかります。つまり、過マンガン酸カリウム 2 モルと過酸化水素 5 モルが反応します。

過酸化水素の物質量は、過マンガン酸カリウムの物質量の\(\frac{5}{2}\)倍になるので、

$$0.10 mol/L　×　\frac{6.0 mL}{1000 mL}　×　\frac{5}{2}　=　X mol/L　×　\frac{10.0 mL}{1000 mL}$$

これを解くと　X = 0.15 mol/L　となります。

電子の物質量を合わせる

先ほどの例題を、電子の物質量を合わせることで解いてみましょう。

酸化剤が受け取る電子の物質量と、還元剤が失う電子の物質量が等しくなったときに、酸化還元反応が完了します。

こちらの解き方では、2 つの半反応式から解けます。

MnO₄^－　+　8 H⁺　+　5 e^－　→　Mn²⁺　+　4 H₂O　　‥‥(A)

H₂O₂　→　O₂　+　2 H⁺　+　2 e^－　　‥‥(B)

(A)の半反応式から、過マンガン酸カリウムが 1 モルあると、電子を 5 モル受け取ることがわかります。

(B)の半反応式から、過酸化水素が 1 モルあると、電子を 2 モル失うことがわかります。

過マンガン酸カリウムが受け取る電子の物質量と、過酸化酸素が失う電子の物質量が等しくなるので

$$0.10 mol/L　×　\frac{6.0 mL}{1000 mL}　×　5　=　X mol/L　×　\frac{10.0 mL}{1000 mL} ×　2$$

これを解くと　X = 0.15 mol/L　となります。

問題演習

確認テスト1

濃度不明のシュウ酸水溶液 10.0 mL をコニカルビーカーにとり、希硫酸を加えたのち、0.10 mol/L 過マンガン酸カリウム水溶液をビュレットから滴下すると、8.0 mL 滴下したところで赤紫色が消えなくなった。

シュウ酸水溶液のモル濃度（ X mol/L ）を求めましょう。

実践問題1（2018追第2問問4）

過マンガン酸カリウム KMnO₄ と過酸化水素 H₂O₂ の酸化剤あるいは還元剤としてのはたらきは、電子を含む次のイオン反応式で表される。

MnO₄^－　+　8 H⁺　+　5 e^－　　→　　Mn²⁺　+　4 H₂O　　　(1)

H₂O₂　　→　　O₂　+　2 H⁺　+　2 e^－　　　　　　　　　　　(2)

過酸化水素 x [ mol ] を含む硫酸酸性水溶液に過マンガン酸カリウム水溶液を加えたところ、酸素が発生した。この反応における加えた過マンガン酸カリウムの物質量と、未反応の過酸化水素の物質量との関係は、図 1 のようになった。次の問い（ a ・ b ）に答えよ。

a　反応式 (2) における酸素原子の酸化数の変化として正しいものを、次の①～⑤のうちから一つ選べ。

①　2 減る。　　　　②　1 減る。　　　　③　変化しない。

④　1 増える。　　　　⑤　2 増える。

b　反応前の過酸化水素の物質量 x は何 mol か。最も適当な数値を、次の①～⑥のうちから一つ選べ。

（①～⑥の数値の単位は mol ）

①　0.010　　　　②　0.025　　　　③　0.040

④　0.25　　　　⑤　0.40　　　　⑥　1.0

（2018年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問4　より引用）

実践問題2（2017追第2問問7）

十分な量のヨウ化カリウム KI の水溶液に、硫酸酸性の過酸化水素 H₂O₂ の水溶液を加えて酸化すると、ヨウ素 I₂ が生成した。消費した H₂O₂ の質量と生成した I₂ の物質量の関係を表す直線として最も適当なものを、次の①～⑤のうちから一つ選べ。

必要があれば、原子量は次の値を使うこと。

H　1.0　　　　O　16

（2017年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問7　より引用）

実践問題3（2020追第2問問5）

MnO₂ と HCl から、MnCl₂ 、Cl₂ および H₂O が生成する反応で、 0.25 mol の Cl₂ が生成したとき、Mn が受け取る電子は何 mol か。最も適当な数値を、次の①～⑥のうちから一つ選べ。

（①～⑥の数値の単位は mol ）

①　0.25　　　②　0.50　　　③　1.0　　　④　2.0　　　⑤　4.0　　　⑥　6.0

（2020年度センター試験　追試験　化学基礎　第2問問5　より引用）

実践問題4（2018試第2問問3）

清涼飲料水の中には、酸化防止剤としてビタミン C（アスコルビン酸）C₆H₈O₆ が添加されているものがある。ビタミン C は酸素 O₂ と反応することで、清涼飲料水中の成分の酸化を防ぐ。このときビタミン C および酸素の反応は、次のように表される。

ビタミン C と酸素が過不足なく反応したときの、反応したビタミン C の物質量と、反応した酸素の物質量の関係を表す直線として最も適当なものを、次の①～⑤のうちから一つ選べ。

（第2回　共通テスト試行調査　化学基礎　第2問問3　より引用）