高校受験の理科 金属とイオンと電池—電子の流れから電極での変化を説明する｜武蔵野個別指導塾

亜鉛板と銅板の変化を粒子の数で追い、導線と水溶液の役割を区別して電池の道筋を描きます。

よくあるのは、電池の図を描くとき、電子が水溶液中をそのまま渡って反対の金属板に着くと考える場面です。導線には電子の矢印を書けても、液の中や電極の表面で何が起きるかが曖昧だと、電流の向きや板の質量変化も逆になりがちです。金属、金属イオン、電子を別々に描き、境目で何を受け渡すかから整理します。

問題の図で先に探す場所

出方の1つは、2種類の金属と水溶液の組合せから、どちらが電子を出す電極かを判断する問題です。金属のイオンへのなりやすさを比べ、なりやすい方の金属原子が電子を出して陽イオンになると考えます。金属の名前だけで極を決めるのではなく、比較する相手と液の条件も読みます。

次は、ダニエル電池の図に電子と電流の向きを書く問題です。亜鉛板と銅板を外側の導線でつなぎ、それぞれ硫酸亜鉛水溶液と硫酸銅水溶液に入れます。2つの液は、イオンが移動できる仕切りや橋でつながれています。外側では電子が亜鉛板から銅板へ移り、電流の向きはその逆です。仕切りの役割も含めて回路を考えます。

もう1つは、一定数の粒子が変化したときの金属原子や電子の数を数える問題です。電子を失う側と受け取る側をつなぎ、電荷と粒子数をそろえます。ここでは問題で与えた数を使い、実際の装置の測定値として扱いません。電流の大きさや時間から電子数を求める計算には進みません。

金属板と液の境目を見る

金属原子が電子を失って陽イオンになる性質には、金属の種類による違いがあります。亜鉛は銅よりイオンになりやすい金属です。亜鉛板の表面では、亜鉛原子が電子を2個残して亜鉛イオンになり、水溶液中に移ります。板に残った電子は、つながった外側の導線を通って銅板へ向かいます。

銅板の表面では、硫酸銅水溶液中の銅イオンが電子を2個受け取り、銅原子になります。その銅が板に付着します。電子を出す亜鉛板が負極、電子を受け取る銅板が正極です。電極の名称は、電子を出すか受け取るかと結びつけて覚えると、矢印を描き直せます。

図1のように、外側の導線を通るのは電子、液や仕切りを通って電荷の偏りを小さくするのはイオンです。仕切りはイオンが移動できる一方、2つの液が急に混ざりにくいようにします。液の中を自由な電子が亜鉛板から銅板へ渡る図にはしません。

図1では電子の矢印と反対向きが外側の電流です。亜鉛側では陽イオンが生じ、銅側では陽イオンが減るため、イオンの移動がなければ液に電荷の偏りが生じます。仕切りを通るイオンの移動は、その偏りを小さくして反応が続くために必要です。電子とイオンはどちらも電荷に関係しますが、動く場所と粒子の種類が異なります。

電池は化学変化によって電気エネルギーを取り出すしくみです。電源を使って反応を進める電気分解とは、エネルギーの向きが異なります。電極を呼ぶときも、名称だけで前に学んだ装置と同じ変化だと決めず、電子の出入りを確かめます。

液の中にも目を向ける

電極の変化を図で読むときは、板と液をひとまとめにしないことが役立ちます。亜鉛板の原子は亜鉛イオンとなって液へ移るので、反応が進んだ分だけ亜鉛板は軽くなります。一方、銅側では液中の銅イオンが銅原子となって板に付くため、銅板は重くなります。板の増減と液中のイオンの増減を、別々の欄に書き出してみてください。

硫酸銅水溶液の青色は銅イオンによるものです。銅イオンが減れば色は薄くなる方向に変化します。ただし、色の濃さだけから、問題に与えられていない粒子の数や反応の時間を決めることはできません。どんな量が求められるかは、装置の条件と与えられた数を確認して判断します。

電池の図では、板が液に浸かり、さらに2つの液の間にもイオンの通り道があることを確かめます。外側の導線だけを閉じても、液の間の通路が閉じていれば反応は持続しません。反対に液の間がつながっていても、外側の導線が切れれば電子は銅板に届き続けません。それぞれ何が通れなくなるかを説明できると、装置の一部を変えた問題にも対応できます。

金属の組合せを変える問題では、与えられたイオンへのなりやすさを先に比べます。ただし、それだけで反対側にどの金属が付くかまで決めることはできません。水溶液中にどのイオンがあるかも読み、電子を受け取る粒子を探す必要があります。電極の金属と液中の粒子の両方を確認する習慣が、条件の読み落としを防ぎます。粒子の名前を図の左右に書き、変化する前と後を矢印で結ぶと、説明の抜けにも気づけます。

基本例題：粒子を1組ずつ対応させる

問題。亜鉛板を硫酸亜鉛水溶液に、銅板を硫酸銅水溶液に入れ、イオンが移動できる仕切りを介して液をつなぎます。両板を導線でつないだところ、亜鉛原子6個がそれぞれ電子2個を出して亜鉛イオンになりました。出た電子はすべて銅板に届き、銅イオンはそれぞれ電子2個を受け取って銅原子になったとします。生じた亜鉛イオン、移動した電子、生じた銅原子の数をそれぞれ整数で答え、導線中の電子と電流の向きも答えてください。

図2のように、まず亜鉛原子1個に着目します。1個の亜鉛原子から亜鉛イオン1個と電子2個が生じるので、亜鉛原子6個からは次の数が生じます。

亜鉛イオン：6 × 1 = 6個

電子：6 × 2 = 12個

次に銅板側です。銅イオン1個が銅原子になるには電子2個を受け取ります。届いた電子12個を、銅イオン1個あたりの2個に分けます。

銅原子：12 ÷ 2 = 6個

したがって、亜鉛イオンは6個、電子は12個、銅原子は6個です。導線中の電子は亜鉛板から銅板へ、電流は銅板から亜鉛板へ向かいます。亜鉛板では原子が液中へ出るので板の質量が減り、銅板では銅が付くので増えます。

図2の対応を逆にたどって確かめます。銅原子6個を作るには6 × 2 = 12個の電子が必要です。この12個は亜鉛原子6個がそれぞれ2個出した数と一致します。亜鉛原子の数と銅原子の数が等しくなったのは、この問題で両方のイオンの電荷に対応する電子が2個ずつだからです。異なる条件にも、数が等しいという結果だけを持ち込まないようにします。

仕切りや導線が途切れたら

問題。基本例題と同じ種類の電極と水溶液を使います。今度は亜鉛原子9個がイオンになり、各原子から電子2個が出ました。導線を通った電子はすべて銅イオンが受け取り、銅イオン1個につき電子2個を使ったとします。(1) 移動した電子と生じた銅原子の数を整数で答えてください。(2) 導線を途中で切った場合、また、イオンが通れない仕切りに替えた場合に、反応が持続するかをそれぞれ答え、理由を述べてください。

1. 亜鉛原子1個あたり電子2個なので、9 × 2 = 18個です。銅イオン1個あたり2個の電子を受け取るため、18 ÷ 2 = 9個の銅原子が生じます。逆に9個の銅原子を作る電子は9 × 2 = 18個で、亜鉛側が出した数に戻ります。原子の種類は変わらず、亜鉛は亜鉛イオンへ、銅イオンは銅原子へ変わります。

2. 導線が切れると電子が外側を通れないため、定常的な電流は流れず、反応は持続しません。導線がつながっていても、仕切りをイオンが通れなければ液の電荷が偏り、反応は持続しません。どちらも続かないという答えですが、途切れる道が異なります。前者は電子の道、後者は液中の電荷の偏りを調整するイオンの道です。

亜鉛板が溶けると聞いて、板全体が一度に消えると考える必要はありません。表面で原子がイオンになり、少しずつ液に移る変化です。銅板の側も、板の原子が増殖するのではなく、液中の銅イオンから生じた銅が表面に付きます。液が使い切られるなど条件が変われば、最初の説明のまま反応が続くとは限りません。

矢印を直すときの手がかり

誤答として「電子は亜鉛板から液と仕切りを通って銅板へ進み、導線には電流だけが流れる」という図を考えます。原因は、電流という矢印と、実際に動く粒子を同じ種類のものとして扱うことです。導線中で動く電子の向きを先に描き、電流の向きをその逆に記します。

図3のように、亜鉛板から外側の導線へ出る矢印を電子の道に直します。液側の矢印はイオンの移動を表します。銅板に届いた電子は銅イオンに受け取られ、銅原子になることも図に添えると、両端の変化がつながります。

もう1つの誤りは「正極の銅板が電子を出すので軽くなる」です。正極という語だけを記憶し、どの粒子が何を受け取るかを確認していない場合に起きます。銅イオンが電子を受け取って銅になると書き直し、その銅の行き先を板の表面に置きます。すると、銅板の質量は増えると判断できます。

逆に、亜鉛板が軽くなる理由を「亜鉛原子が電子を出したから」とだけ書くと、原子の行き先が抜けます。亜鉛原子が電子を出して亜鉛イオンとなり、液へ移るところまで述べます。電子の移動と金属の移動を別の文で追えば、質量変化の理由が明確になります。

自分で道筋を描く練習

次の4問はそれぞれ独立した問題です。数は問題用に与えたものです。数を問う場合は整数で答えてください。

1. ダニエル電池で亜鉛原子4個がそれぞれ電子2個を出して亜鉛イオンになりました。電子がすべて銅板へ届き、銅イオン1個が電子2個を受け取るとき、電子と生じた銅原子はそれぞれ何個ですか。
2. 同じ電池で銅原子が7個生じました。銅イオン1個は電子2個を受け取り、必要な電子は亜鉛原子が1個あたり2個ずつ出したものです。使われた電子とイオンになった亜鉛原子はそれぞれ何個ですか。
3. 亜鉛板と銅板の外側を導線でつないだ電池で、仕切りをイオンが通れなくしました。導線が切れていないのに反応が持続しない理由と、液中で電荷の偏りを小さくする粒子を答えてください。
4. 亜鉛より銅がイオンになりにくいことを与えます。ダニエル電池で、銅板の質量が減ると答えた人に、銅イオンと電子の変化を使って修正を説明してください。また、導線中の電流の向きを2つの板の名前で答えてください。

答えと考え方

1. 電子は4 × 2 = 8個、銅原子は8 ÷ 2 = 4個です。銅原子4個を作る電子は4 × 2 = 8個で、亜鉛側の数に戻ります。原子は液中へ出る側と板へ付く側で種類が異なります。

2. 電子は7 × 2 = 14個、亜鉛原子は14 ÷ 2 = 7個です。7個の亜鉛原子が出す電子は7 × 2 = 14個であり、その電子を2個ずつ受け取れば7個の銅原子が生じます。求める向きが逆でも、1粒子あたりの電子数を基準にします。

3. 亜鉛側と銅側の液に電荷の偏りが生じ、イオンが仕切りを通れないと偏りを小さくできないためです。粒子はイオンです。導線中の電子の道が残っていても、液中のイオンの道が閉じれば反応は持続しません。

4. 銅イオンが電子を受け取って銅原子となり、銅板に付くため、銅板の質量は増えます。導線中の電子は亜鉛板から銅板へ進むので、電流は反対の銅板から亜鉛板へ向かいます。銅板の表面で受け取る粒子と、生じる粒子を入れ替えずに説明します。

覚えておく4点

• 亜鉛は銅よりイオンになりやすく、電子を出します。
• 導線では電子が亜鉛板から銅板へ進み、電流は逆向きです。
• 液中のイオンが移動し、電荷の偏りを小さくします。
• 亜鉛板は軽くなり、銅イオンから銅が付く銅板は重くなります。

どこで迷っているかを見る

お子さまが正極と負極を取り違えたときは、名称を繰り返す前に、図1の亜鉛板を指して電子が出るか入るかを尋ねます。答えられたら、導線を指でたどり、銅板の表面で銅イオンがどう変わるかを言葉にします。途中で液の中へ指が移るなら、電子とイオンの通り道をもう一度分けます。

個別指導では、粒子の数を求める式にも目を向けます。たとえば基本例題で12を2で割る理由を、銅イオン1個が受け取る電子の数に結びつけて説明できるかを確かめます。式が合っていても、答えを元の粒子数に戻せない場合は、亜鉛側と銅側を別々に描き直します。電極の境目を言葉にすると、電池の矢印に理由が生まれます。