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酸化還元反応3|酸性条件と中性・塩基性条件で何が変わる?

例えば,過酸化水素\ce{H2O2}の半反応式を考えるとき,溶液が「酸性」の場合には

\begin{align*} \ce{H2O2 + 2H+ + 2e- -> 2H2O} \end{align*}

の半反応式が起こり,溶液が「中性」または「塩基性」の場合には

\begin{align*} \ce{H2O2 + 2e- -> 2OH-} \end{align*}

の半反応式が起こります.

このように,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.

ここの違いをきちんと理解しておけば,どのように使い分ければ良いかを知ることができ,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ます.

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「酸性条件」と「中性・塩基性条件」

前回の記事で酸化剤の半反応式の一覧を書きました.

もう一度,過酸化水素\ce{H2O2}や過マンガン酸カリウム\ce{KMnO4}の半反応式を見てみましょう.

酸性条件と中性・塩基性条件での半反応式
物質/化学式(条件) 半反応式
過酸化水素\ce{H2O2}
(酸性)

\begin{align*}\ce{H2O2 + 2H+ + 2e- -> 2H2O}\end{align*}

過酸化水素\ce{H2O2}
(中性・塩基性)

\begin{align*}\ce{H2O2 + 2e- -> 2OH-}\end{align*}

過マンガン酸カリウム\ce{KMnO4}
(酸性)

\begin{align*}\ce{MnO4^- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O}\end{align*}

過マンガン酸カリウム\ce{KMnO4}
(中性・塩基性)

\begin{align*}\ce{MnO4^- + 2H2O + 3e- -> MnO2 + 4OH-}\end{align*}

この表から明らかなように,過酸化水素\ce{H2O2}や過マンガン酸カリウム\ce{KMnO4}は「酸性」のときと,「中性・塩基性」ときで半反応式が変わっていますね.

酸性条件

化学反応の中には,硫酸などの酸性溶液中で考えるものがあります.

酸性溶液中には水素イオン\ce{H+}が多く含まれているため,酸性溶液中の化学反応では水素イオン\ce{H+}をたくさん与えることができます.

このように,「酸性溶液中で考える」というのが酸性条件の意味です.

中性・塩基性条件

一方で,中性溶液中や塩基性溶液中で化学反応を考えることもあります.

中性溶液中,塩基性溶液中には水素イオン\ce{H+}は微量しか含まれていいないため,酸性溶液中のように水素イオン\ce{H+}を与えることができません.

このように,「中性・塩基性溶液中で考える」というのが中性・塩基性条件の意味です.

過マンガン酸カリウムの場合

過マンガン酸カリウムについて,「酸性条件」の問題なら半反応式

\begin{align*} \ce{MnO4^- + 8H+ + 5e- -> Mn^2+ + 4H2O} \end{align*}

が起こり,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

\begin{align*} \ce{MnO4^- + 2H2O + 3e- -> MnO2 + 4OH-} \end{align*}

が起こります.

実際の問題では「硫酸酸性下で」などと書いてありますが,これは「硫酸(酸性溶液)中での反応やから,水素イオン\ce{H+}使えよ〜」という意味なわけで,「硫酸」そのものが反応するわけではありません.

「あくまで硫酸は水素イオン\ce{H+}にぶつけるためだけに存在している」という点に注意してください.

条件によって半反応式が変わる理由

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\ce{OH-}より水素イオン\ce{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\ce{H+}が過マンガン酸イオン\ce{MnO4^-}や過酸化水素\ce{H2O2}をつつきます.

そうすると,水素イオン\ce{H+}が過マンガン酸イオン\ce{MnO4^-}や過酸化水素\ce{H2O2}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\ce{MnO4^-}と過酸化水素\ce{H2O2}の「酸性条件」での半反応式を見てみると,

\begin{align*} &\ce{MnO4^- + 8H+ + 5e- -> Mn-2+ + 4H2O}, \\&\ce{H2O2 + 2H+ + 2e- -> 2H2O} \end{align*}

となっており,確かに左辺に水素イオン\ce{H+}がありますね.

この水素イオン\ce{H+}は「酸性」だから存在しているのです.

このように,「酸性条件下」を「溶液中に水素イオン\ce{H+}が多く存在する」という意味で捉えると,半反応式の左辺に水素イオン\ce{H+}がある理由が分かりますね.

酸性条件下では水素イオン\ce{H+}が多く存在しているので,半反応式の左辺に水素イオン\ce{H+}が現れる.

中性・塩基性条件の半反応式

一方,過マンガン酸イオン\ce{MnO4^-}と過酸化水素\ce{H2O2}の「中性・塩基性条件」での半反応式を見てみると,

\begin{align*} &\ce{H2O2 + 2e- -> 2OH-}, \\&\ce{MnO4^- + 2H2O + 3e- -> MnO2 + 4OH-} \end{align*}

となっており,左辺には水素イオン\ce{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\ce{H+}がほとんどないことが理由です.

このように,「中性・塩基性条件下」というのは「溶液中に水素イオン\ce{H+}が微量しか存在しない」という意味で捉えると,半反応式の左辺に水素イオン\ce{H+}がない理由が分かりますね.

中性・塩基性条件下では水素イオン\ce{H+}がほとんど存在せず,半反応式の左辺に水素イオン\ce{H+}が現れない.

最後まで読んで下さってありがとうございました!

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