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酸化還元反応3|酸性条件,中性・塩基性条件

  
   

前の記事【酸化還元反応2|酸化剤と還元剤の半反応式の一覧】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」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.

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.

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

酸性条件

硫酸などの酸性溶液中で化学反応を考えることがあります.

酸性溶液中には,水素イオン\mathrm{H^+}が多く含まれています.そのため,酸性溶液中の化学反応では,水素イオン\mathrm{H^+}が多くある中で反応が起こるわけです.

このように,「酸性溶液中で」というのが「酸性条件」なのです.

塩基性条件

一方,酸性溶液中で化学反応を考えるように,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\mathrm{H^+}は微量しか含まれていません.そのため,酸性溶液中のように,水素イオン\mathrm{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」というのが「中性・塩基性条件」なのです.

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

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

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

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

が起こります.「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.

問題では「硫酸酸性下で」と書いてあることがあり,これは「硫酸(酸性溶液)中での反応やで〜.酸性条件やで〜」ということを教えてくれているわけです.

なお,「酸性条件」で用いられている酸性溶液は,溶液中で起こる半反応式には関わってきません.例えば「硫酸酸性下で」と書かれてあっても,硫酸は水素イオン\mathrm{H^+}を提供するだけの役割しかなく,反応に関係しません.

「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(酸性溶液)は半反応式には全く関係しません!ただ,「酸性条件やで〜」と伝えるためだけにいるのです.

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\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 Mn^{2+} + 4H_2O}
\mathrm{H_2O_2 + 2H^{+} + 2e^- \to 2H_2O}

となっており,確かに左辺に水素イオン\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.

このように,「酸性条件下」というのは「溶液中に水素イオン\mathrm{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\mathrm{H^+}がある理由が分かりますね.

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 2OH^-}
\mathrm{{MnO_4}^{-} + 2H_2O + 3e^- \to 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,「中性・塩基性条件下」というのは「溶液中に水素イオン\mathrm{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\mathrm{H^+}がない理由が分かりますね.

次の記事【酸化還元反応4|半反応式から化学反応式をつくる】に続きます.

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