高校受験の理科 電解質とイオン—電離のモデルとイオン式を対応させて読む｜武蔵野個別指導塾

食塩水と砂糖水の違いを手がかりに、電離の式の係数と電荷を分け、粒子の数と符号の読み違いを確かめられます。

よくあるのは、水に溶けた物質は何でも電流を流すと、中学生が決めてしまう場面です。透明になった砂糖水と食塩水を見比べると、どちらも粒子が見えないほど広がっています。しかし、見た目が同じでも水溶液中の粒子の状態は同じとは限りません。電気を帯びた粒子が動けるかどうかに注目すると、観察結果を区別できます。粒子の絵と式を行き来しながら、電荷と原子の数を確かめていきましょう。

何を手がかりに問われるか

第1の型は、水溶液に電流が流れるかという観察から、溶けた物質を電解質と非電解質に分ける問題です。水に溶けたという事実だけでは分類できません。水溶液中に電気を帯びて動ける粒子があるかを考え、観察の条件と結果を読みます。

第2の型は、原子が電子を失う場合と受け取る場合を、陽イオンや陰イオンの式に結びつける問題です。電子は負の電気を帯びています。失った電子の分だけ正の電気が勝ち、受け取った分だけ負の電気が勝つ、と順を追って考えます。

第3の型は、電離の式や粒子の模型を比べ、原子数と電荷が合うものを選ぶ問題です。たとえば塩化マグネシウムでは、マグネシウムイオンと塩化物イオンが同じ個数とは限りません。式の右上に書く電荷と、式の前に書く個数は別の情報です。電極で起こる反応や酸とアルカリの性質はここでは詳しく扱わず、水溶液中の粒子までに絞ります。

粒子が帯びる電気と水溶液

原子は中心の原子核と、そのまわりの電子からできています。原子核は正、電子は負の電気を帯びます。電気を帯びていない原子では、原子核の正の電気と電子の負の電気がつり合っています。原子が電子を失ったり受け取ったりすると、両者のつり合いが変わり、電気を帯びた粒子であるイオンになります。

図1のように、電子を失った原子は正の電気を帯びた陽イオンになり、電子を受け取った原子は負の電気を帯びた陰イオンになります。電子を失うのに負になる、と向きを逆にしないようにします。原子核を失う話ではありませんので、電子の出入りで元素の種類は変わりません。

イオン式では、元素記号などの右上に電荷を書きます。Na⁺はナトリウムイオン、Cl⁻は塩化物イオンです。Mg²⁺の2は正の電気の大きさを表し、マグネシウム原子が2個あるという意味ではありません。複数の原子がまとまって1個のイオンになる場合もあり、硫酸イオン SO₄²⁻ では硫黄原子1個と酸素原子4個がまとまって、全体で2価の負の電気を帯びます。

物質が水に溶けたときに陽イオンと陰イオンに分かれることを電離といいます。水溶液にしたとき電離する物質を電解質、電離しない物質を非電解質といいます。食塩は電解質、砂糖は非電解質の例です。食塩が溶けた水溶液には動けるイオンがあり、電流を流します。砂糖も水に溶けますが、砂糖の粒子がイオンに分かれるわけではなく、その水溶液は電流を流しません。

溶けることは物質が水中に広がること、電離はイオンに分かれることです。似た言葉でも調べる対象が違います。水溶液全体は通常、正と負の電気がつり合っていますが、それぞれのイオンは電気を帯びて動けるため、電流を運ぶことができます。粒子が存在することと、電荷が全体でつり合うことは両立します。

電流が流れるという結果を読むときには、調べた対象も確認します。固体の食塩についての観察と、食塩を水に溶かした後の観察を混ぜてはいけません。電解質という分類は、水溶液にしたときに電離するかで判断します。問題に水溶液とあるなら、水中を動けるイオンに注目します。

粒子の模型では、同じ記号の丸が何個あるかに加え、それぞれの丸の符号を読み取ります。正の丸と負の丸が同じ個数でも、1個あたりの電荷の大きさが違えば電荷の合計は0とは限りません。反対に、個数が違っても、それぞれの電荷を合計すれば0になる組合せがあります。模型から式を書くときは、丸の数と符号を表に分けて整理すると見落としを減らせます。

基本例題：塩化マグネシウムの式

【問題】塩化マグネシウム MgCl₂ が水に溶けると、Mg²⁺ と Cl⁻ に電離します。塩化マグネシウムは、溶ける前から Mg²⁺ と Cl⁻ が 1 : 2 の割合で集まった物質です。水に溶けると、それらのイオンが離れて水中を動けるようになります。図2の左の丸は化学式から元素の個数を数えるための表し方であり、中性の原子が溶けるときに新しくイオンになる様子ではありません。電離を表す式を書き、式の左右の原子数と電荷の合計を答えてください。イオンの個数は整数で表します。

まず、電離する前の化学式を矢印の左に書きます。MgCl₂ の下付きの2は、塩素原子が2個あることを表します。Mgに数字が付かないので、マグネシウム原子は1個です。左側の物質全体の電荷は0です。

次に、右側にできるイオンの種類を置きます。問題文から Mg²⁺ と Cl⁻ です。マグネシウム原子を合わせるには Mg²⁺ が1個必要です。塩素原子を2個にそろえるには Cl⁻ を2個置きます。2個という数はイオン式の前に書き、Clの右上の電荷を書き換えません。

MgCl₂ → Mg²⁺ + 2Cl⁻

図2のように、左の塩素原子2個は右の塩化物イオン2個に対応します。右側の正の電荷は +2、負の電荷は -1 が2個分で -2 です。合計は +2 + (-2) = 0 となり、左側の0と一致します。原子数も左がMg 1個、Cl 2個、右がMg 1個、Cl 2個です。したがって答えは上の式で、左右の電荷の合計はいずれも0です。

答えを元の条件へ戻すには、右のイオンを数え直します。Mg²⁺ 1個はMg原子1個を、Cl⁻ 2個はCl原子2個を含みます。合わせると問題で与えた MgCl₂ の原子数に戻り、電荷の合計も0です。もし右側を Mg²⁺ + Cl⁻ とすると塩素が1個足りず、電荷も +1 になってしまいます。電荷だけでなく原子数も見ると、どこが不足したかを説明できます。

条件を変えたときの分かれ目

【問題】塩化アルミニウム AlCl₃ が水に溶けると、Al³⁺ と Cl⁻ に電離します。AlCl₃ の式に含まれる原子がそれぞれイオンになるものとして、AlCl₃ の式3個分からできる各イオンの個数を整数で答えてください。また、その全イオンの電荷の合計を答えてください。

まず式1個分で考えます。左にはAl原子1個とCl原子3個があるので、右は Al³⁺ 1個と Cl⁻ 3個です。電離の式は AlCl₃ → Al³⁺ + 3Cl⁻ です。右の電荷は +3 と -1 が3個分で、合計は0です。

求めるのは式3個分なので、式1個分の両方のイオンの個数を3倍します。Al³⁺ は 1 × 3 = 3個、Cl⁻ は 3 × 3 = 9個です。電荷は +3 が3個分で +9、-1 が9個分で -9 となり、合計0です。答えは Al³⁺ 3個、Cl⁻ 9個、電荷の合計0です。

ここで3倍するのは粒子の個数であり、Al³⁺ の右上の3ではありません。式3個分を元に戻してみると、Al原子は3個、Cl原子は9個です。左の AlCl₃ 3個分にもAl原子3個とCl原子9個が含まれ、電荷の合計も左右とも0です。全体が何組あるかと、1組にそれぞれ何個あるかを分けると、倍率を片方にかけ忘れる失敗を防げます。

この例では塩化物イオンが3個必要なのは、アルミニウムイオンの電荷が +3 だからという見方もできます。ただし、その判断だけで終えず、もとの式にCl原子が3個あることも確かめます。電荷がつり合うように数を置けても、与えられた化学式の原子数と合わなければ正しい電離の表し方にはなりません。二つの条件を同時に満たすことが必要です。

間違えた式から戻る

塩化マグネシウムの電離を MgCl₂ → Mg²⁺ + Cl²⁻ と書いたとします。右の電荷の合計は0ですが、右の塩素原子は1個で左の2個と合いません。さらに、塩化物イオンの電荷は問題で与えた Cl⁻ です。電荷を勝手に変えると別の粒子を表すことになります。

図3のように、まずイオン式をそのまま保ち、Cl⁻ の前に2を書きます。前の数字は粒子を何個置くかを表します。右上の数字は1個の粒子が帯びる電荷です。正しい式に直した後、Cl原子が左右2個ずつで、右の電荷が +2 と -2 の合計0になることを確かめます。

別の誤りとして、砂糖水に電流が流れない理由を「砂糖が溶けていないから」とする答えがあります。砂糖は溶けますが、電離しないため、水溶液に電流を運ぶイオンを生じません。溶けたかどうかの観察と、電離したかどうかの判断を別々に書き直すと、理由が通ります。透明という見た目だけから電流の有無を決めないことも必要です。

練習：粒子と言葉をつなぐ

次の問題を先に解き、その後で答えを確かめてください。粒子の個数は整数で答え、電荷は符号を付けて表します。

1. 塩化ナトリウム NaCl は水に溶けて Na⁺ と Cl⁻ になります。NaCl の式4個分から生じるそれぞれのイオンは何個ですか。また全イオンの電荷の合計はいくつですか。
2. 塩化カルシウム CaCl₂ は水に溶けて Ca²⁺ と Cl⁻ になります。電離を表す式を書き、右側のCl原子の合計と電荷の合計を答えてください。
3. ある原子は電気を帯びていない状態から電子を2個失いました。この粒子は陽イオンと陰イオンのどちらですか。また、電荷を符号と数字で答えてください。
4. 水に溶けた物質Aの水溶液には電流が流れ、同じ条件で調べた物質Bの水溶液には流れませんでした。AとBはそれぞれ電解質と非電解質のどちらですか。どちらも水に溶け、電流の有無は溶質が生じるイオンによって決まるものとします。

答えとたどり方

1. Na⁺ 4個、Cl⁻ 4個、電荷の合計は0です。NaCl 1個分にはNaとClがそれぞれ1個あるため、それぞれ4倍します。右の電荷は +1 が4個、-1 が4個で合計0です。答えのイオンから原子を数えるとNaとClが各4個で、元の NaCl 4個分に戻ります。

2. CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻ です。右側のCl原子は2個、電荷の合計は0です。左のCl原子2個を保つため Cl⁻ を2個置きます。右は +2 と -2 でつり合います。右からCa原子1個とCl原子2個を数え直すと、左の式の原子数と一致します。

3. 陽イオンで、電荷は +2 です。負の電気を帯びた電子を2個失うと、正の電気が2個分だけ勝ちます。逆に電子を2個受け取って元に戻すと、正と負が再びつり合うので、与えられた出発状態に戻ります。電子を失う向きと電荷の符号を別々に確認します。

4. Aは電解質、Bは非電解質です。問題の条件では、Aの水溶液に生じたイオンが電流を運びます。Bは水に溶けても電離しないので、溶質によるイオンを生じません。分類を観察へ戻すと、Aは流れ、Bは流れないという条件と一致します。溶けるかどうかだけでは両者を区別できません。

練習で式が合わなかった場合は、最初から全部を書き直す前に、左と右の原子を種類ごとに数えてください。原子数が合うのに電荷が合わないときは、イオン式の符号や右上の数字を問題文と照合します。逆に電荷が合っていても、原子が不足していれば式は完成していません。間違いの場所を絞ってから直し、最後に両方の条件へ戻る手順が役立ちます。

覚えておくこと

• 電子を失うと陽イオン、受け取ると陰イオンになります。
• 電解質は水溶液中で電離し、非電解質は電離しません。
• 電離の式では原子数と電荷の合計を左右で確かめます。
• イオンの個数は式の前、1個あたりの電荷は右上に書きます。

どこで止まったかを見つける

お子さまが粒子の式で迷うときは、最初に図1を指して、電子を失った側の電気の符号を言葉にしてもらいます。符号は合っていても図2の塩化物イオンを1個しか数えないなら、次は右上の電荷と前に置く個数を指で区別します。いきなり式全体を覚え直すより、どの情報を読み違えたかを見つけやすくなります。

個別指導では、式の左右に原子の種類ごとの個数と電荷の合計を書き、誤った式からどこを直したかを説明できるかを確かめます。電流が流れない場合も「溶けない」と即答せず、溶解と電離のどちらを示す観察なのかを問い直します。粒子の数と電荷を別々に追えば、見えない水溶液の中にも筋道が見えてきます。