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電池と電気分解2|イオン化傾向と電池の仕組み

前の記事【電池と電気分解1|電池の仕組みと電流の正体】の続きです.

多くの金属は電子を放出して陽イオンになります.その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.

前の記事で書いたように,電池とは「酸化還元反応を利用して電子の移動を生じさせる装置」のことをいうのでした.

ですから,電子がどちら向きに流れているのかを知ることはどのような酸化還元反応が起こっているのかを知る重要な手がかりとなります.

そのときに,「イオン化傾向」の大きい順に並べたものを「イオン化列」がとても重要な役割を果たすのです.

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イオン化傾向とイオン化列

「イオン化傾向」と「イオン化列」について説明します.

イオン化傾向

単体の金属に,「イオン化傾向」というものがあります.

「イオン化傾向」とは「溶液中に電子を放出して陽イオンになろうとする性質」のことをいいます.「陽イオン化する性質」ですからそのままの名前ですね.

たとえば,希塩酸\mathrm{H_2SO_4}に亜鉛\mathrm{Zn}をボチャンと浸けると,希塩酸中\mathrm{H_2SO_4}の水素イオン\mathrm{H^+}と反応して

\mathrm{Zn + 2H^{+} \to Zn^{2+} + H_2}

の反応で,亜鉛\mathrm{Zn}が陽イオン\mathrm{Zn^{2+}}となります.

このように,多くの金属は陽イオンになります.そして,この「単体金属が陽イオンになりやすい」という性質のことを「イオン化傾向」というのです.

多くの金属は陽イオンになり,この「陽イオンへのなりやすい」という性質を「イオン化傾向」という.

イオン化列

また,「イオン化傾向」には金属によって強さがあり,金属を「イオン化傾向」の強さの順に並べたものを「イオン化列」といいます.

具体的には,「イオン化列」は次のようになっています.

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

カリウム\mathrm{K}が「最もイオン化傾向が強い(=最も陽イオンになりやすい)」物質で,\mathrm{Au}が「最もイオン化傾向が弱い(=最も陽イオンになりにくい)」物質です.

もちろん,この他にも金属はありますが,高校化学ではこれだけでほとんど十分です.

よくある覚え方としては「借りよかな,まあアテにすんな,ひどすぎる借金」というものがあります.これは

借り(\mathrm{K})よか(\mathrm{Ca})な(\mathrm{Na}),
ま(\mathrm{Mg})あ(\mathrm{Al})ア(\mathrm{Zn})テ(\mathrm{Fe})に(\mathrm{Ni})すん(\mathrm{Sn})な(\mathrm{Pb}),
ひ(\mathrm{H})ど(\mathrm{Cu})すぎ(\mathrm{Hg})る借(\mathrm{Pt})金(\mathrm{Au})

となっています.

「イオン化列」は覚えておく必要があるので,実際に自分の手を動かして書けるようにしてください.

イオン化傾向の強さの順に金属を並べたものを「イオン化列」という.「イオン化列」は覚えておく.

電池の仕組み

それでは,イオン化傾向とイオン化列をもとにして,電池の仕組みを考えます.

反応と電子の動き

前の記事でボルタ電池を例に簡単に説明しましたが,今回もボルタ電池を例に説明します.

電池2

ボルタ電池は亜鉛\mathrm{Zn}と銅\mathrm{Cu}をボチャッと希硫酸\mathrm{H_2SO_4}に浸けて,導線で亜鉛と銅を結べば完成します.

図では導線の途中にオレンジ色の〇がありますが,これはたとえば豆電球だと思ってください.

\mathrm{Zn}側では,銅\mathrm{Zn}が溶液中に銅イオン\mathrm{Zn^{2+}}として溶け出し,そのときに残された電子\mathrm{e^-}が導線を通って亜鉛\mathrm{Cu}側へやって行きます.

つまり,反応は

\mathrm{Zn \to Zn^{2+} + 2e^-}

となっています.

亜鉛\mathrm{Cu}側では導線を通してやってきた電子\mathrm{e^-}が,溶液中の水素イオン\mathrm{H^+}とくっついて水素\mathrm{H_2}になっています.つまり,反応は

2\mathrm{H^{+} + 2e^{-} \to H_2}

となっています.このとき,\mathrm{Cu}は全く変化していないということに注意してください.

ボルタ電池は亜鉛\mathrm{Zn}が陽イオン化し,そこで残った電子\mathrm{e}^{-}を銅\mathrm{Cu}が受け取り,溶液中の水素イオン\mathrm{H^{+}}に渡す.

その結果,水素イオン\mathrm{H^{+}}2つが反応して気体の水素\mathrm{H_2}ができる.

ボルタ電池とイオン化列

さて,ここで「金属は陽イオンになりやすいなら,銅\mathrm{Cu}はなぜ銅イオン\mathrm{Cu}^{2+}にならないのか?」という疑問が出てきますね.

ここで活きてくるのが,この記事の最初にやった「イオン化列」です.

\mathrm{Cu}と亜鉛\mathrm{Zn}のイオン化列での順を見てみると,\mathrm{Zn>Cu}となっていますね.つまり,亜鉛\mathrm{Zn}の方が陽イオンになりやすいわけです.

実は,2つの金属を繋いだとき,陽イオン化するのは「イオン化傾向の強い方のみ」であり,イオン化傾向の弱い方は陽イオンにならず電子を受け取る役割をするのです.

ですから,ボルタ電池では亜鉛\mathrm{Zn}が陽イオンとなって溶液中へ溶け出しているのです.

そして,そこで残った電子\mathrm{e^-}が導線通って銅\mathrm{Cu}側へやって行き,銅\mathrm{Cu}の表面で水素イオン\mathrm{H^+}と反応して水素\mathrm{H_2}が発生します.

さらに,「銅\mathrm{Cu}と電子\mathrm{e^-}が反応することはないのか?」という疑問を持つかもしれませんが,反応しません.

というのは,銅\mathrm{Cu}と電子\mathrm{e^-}が反応するということは銅が陰イオンになるということですが,基本的に金属は陰イオンにならないのです.

ですから,やってきた電子\mathrm{e^-}は水素イオン電子\mathrm{H^+}と反応するしかないわけです.

イオン化は相対的にイオン化傾向の強い金属のみがイオン化し,イオン化傾向の弱い金属は電子を受け取る役割をする.

ボルタ電池の場合には,イオン化傾向の強い亜鉛\mathrm{Zn}がイオン化し,イオン化傾向の弱い銅\mathrm{Cu}は反応せず電子\mathrm{e}^-の受け渡しをする.

また,金属イオンが陰イオンになることはない.

次の記事【電池と電気分解3|ボルタ電池とダニエル電池】に続きます.

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