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酸化還元反応3|酸性条件,中性・塩基性条件

酸化還元反応の基本2 ―酸化剤と還元剤の半反応式―」の続きです.

半反応式を考えるときに,溶液が「酸性」なのか,「中性」または「塩基性」なのかで半反応式が変わってくることがあります.したがって,半反応式の表を見ると,同じ物質でも「酸性」のときと「中性・塩基性」のときで,半反応式が異なっているものがあります.

ここに至っては,「そのまま覚えてしまえ!」というのもひとつの手かもしれませんが,きちんと理解していれば間違いにも気付くことができます.

この記事では「酸性条件」,「中性・塩基性条件」で半反応式が変わる理由を説明したいと思います.

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「酸性条件」,「中性・塩基性条件」とは

酸化剤の半反応式の表を見ると,過酸化水素\mathrm{H_2O_2}や過マンガン酸カリウム\mathrm{KMnO_4}は「酸性」のときと,「中性・塩基性」ときで半反応式が変わることが分かります.

これはどういうことなのでしょうか?

まず,過酸化水素\mathrm{H_2O_2}や過マンガン酸カリウム\mathrm{KMnO_4}の半反応式を再掲します.

物質/化学式(条件) 半反応式
過酸化水素/\mathrm{H_2O_2}(酸性) \mathrm{H_2O_2 + 2H^{+} + 2e^-} \to \mathrm{2H_2O}
過酸化水素/\mathrm{H_2O_2}(中性・塩基性) \mathrm{H_2O_2 + 2e^-} \to \mathrm{2OH^-}
過マンガン酸カリウム/\mathrm{KMnO_4}(酸性) \mathrm{{MnO_4}^{-} + 8H^{+} + 5e^-} \to \mathrm{Mn^{2+} + 4H_2O}
過マンガン酸カリウム/\mathrm{KMnO_4}(中性・塩基性) \mathrm{{MnO_4}^{-} + 2H_2O + 3e^-} \to \mathrm{MnO_2 + 4OH^-}

さて,そもそも酸性条件とはどういうことでしょうか?

「酸性条件」とは「硫酸などの酸性の物質の中での反応を考えよう」ということです.実際の問題では「硫酸酸性下で~」などと書いてあります.この一文が「この問題は酸性条件やでー」と教えてくれているわけです.

ですから,「酸性条件」の問題なら半反応式

\mathrm{{MnO_4}^{-} + 8H^{+} + 5e^-} \to \mathrm{Mn^{2+} + 4H_2O}

を使い,逆に「酸性条件」でない問題なら「中性・塩基性条件」の半反応式

\mathrm{{MnO_4}^{-} + 2H_2O + 3e^-} \to \mathrm{MnO_2 + 4OH^-}

を使います.

「硫酸酸性化で~」という問題で「硫酸はどこで使ったの?」という疑問がよくありますが,硫酸は半反応式には全く関係しません!

ただ,「酸性条件やでー」と伝えるためだけにいるのです.

「酸性条件」,「中性・塩基性条件」の半反応式の使い分けは過酸化水素でも同様です.

ただし,酸化剤の半反応式と還元剤の反応式から酸化還元反応式を作った場合には必要になります.

条件によって半反応式が変わる理由

大雑把な説明ですが,ある程度どういうことか感じてもらえると十分です.

では,なぜ「酸性条件」,「中性・塩基性条件」で半反応式が変わるのかということですが,酸性というのは溶液中に水酸化物イオン\mathrm{OH^-}より水素イオン\mathrm{H^+}の方が多くある状態のことでした.

そこで,たくさんある水素イオン\mathrm{H^+}が過マンガン酸イオン\mathrm{{MnO_4}^-}や過酸化水素\mathrm{H_2O_2}をつつきます.

そうすると,水素イオン\mathrm{H^+}が過マンガン酸イオン\mathrm{{MnO_4}^-}や過酸化水素\mathrm{H_2O_2}と反応していきます.

酸性条件の半反応式

ここで,もう一度,過マンガン酸イオン\mathrm{{MnO_4}^-}と過酸化水素\mathrm{H_2O_2}の「酸性条件」での半反応式を見てみると,

\mathrm{{MnO_4}^{-} + 8H^{+} + 5e^-} \to \mathrm{Mn^{2+} + 4H_2O}

\mathrm{H_2O_2 + 2H^{+} + 2e^-} \to \mathrm{2H_2O}

となっており,確かに左辺には水素イオン\mathrm{H^+}がありますね.

この水素イオン\mathrm{H^+}は「酸性」だから存在しているのです.

中性・塩基性条件の半反応式

一方,過マンガン酸イオン\mathrm{{MnO_4}^-}と過酸化水素\mathrm{H_2O_2}の「中性・塩基性条件」での半反応式を見てみると,

\mathrm{H_2O_2 + 2e^-} \to \mathrm{2OH^-}

\mathrm{{MnO_4}^{-} + 2H_2O + 3e^-} \to \mathrm{MnO_2 + 4OH^-}

となっており,左辺には水素イオン\mathrm{H^+}はありません.

これは,溶液中が「中性」または「塩基性」であるために,水素イオン\mathrm{H^+}がほとんどないことが理由です.

このようにして,「酸性条件」「中性・塩基性条件」で半反応式が変わってくるのです.

次の記事「酸化還元反応の基本4 ―半反応式から反応式をつくる―」に続きます.

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