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*} \mrm{H_2O_2 + 2H^+ + 2e^- \to 2H_2O} \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*} \mrm{H_2O_2 + 2e^- \to 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.

「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*}\mrm{H_2O_2 + 2H^+ + 2e^- \to 2H_2O}\end{align*}

過酸化水素$\ce{H2O2}$
(中性・塩基性)

\begin{align*}\mrm{H_2O_2 + 2e^- \to 2OH^-}\end{align*}

過マンガン酸カリウム$\ce{KMnO4}$
(酸性)

\begin{align*}\mrm{MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \to Mn^{2+} + 4H_2O}\end{align*}

過マンガン酸カリウム$\ce{KMnO4}$
(中性・塩基性)

\begin{align*}\mrm{MnO_4^- + 2H_2O + 3e^- \to MnO_2 + 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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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*} \mrm{MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \to Mn^{2+} + 4H_2O} \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*} \mrm{MnO_4^- + 2H_2O + 3e^- \to MnO_2 + 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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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*} &\mrm{MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \to Mn^{2+} + 4H_2O}, \\&\mrm{H_2O_2 + 2H^+ + 2e^- \to 2H_2O} \end{align*}

となっており,確かに左辺に水素イオン$\mrm{H^+}$がありますね.

この水素イオン$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$がある理由が分かりますね.

酸性条件下では水素イオン$\mrm{H^+}$が多く存在しているので,半反応式の左辺に水素イオン$\mrm{H^+}$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*} &\mrm{H_2O_2 + 2e^- \to 2OH^-}, \\&\mrm{MnO_4^- + 2H_2O + 3e^- \to MnO_2 + 4OH^-} \end{align*}

となっており,左辺には水素イオン$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$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$\mrm{H^+}$がほとんど存在せず,半反応式の左辺に水素イオン$\mrm{H^+}$が現れない.

半反応式

もともと半反応式を考えたのは,酸化還元反応を考えるためでした.

酸化剤の半反応式と還元剤の半反応式が分かれば,それらを組み合わせて化学反応式を作ることができます.

次の記事では,半反応式から酸化還元反応の化学反応式を導く方法を説明します.

最後までありがとうございました!

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