中3定期テスト 理科の水溶液とイオン—実験ワークの粒子の図から電流が流れる理由を説明する｜武蔵野個別指導塾

銅イオンと塩化物イオンの行き先を図でたどり、電流が流れる理由を説明します。鍵はイオンです。

よくあるのは、実験プリントで電子とイオンの移動を混同する場面です。導線にも水溶液にも同じ粒子が流れると考えると、電池の電極で何が起きたかまで説明しにくくなります。まず範囲表の単元とページを開き、実験ワークの図、小テストの誤答、提出物の条件を並べます。授業で扱った装置と答え方を確かめ、電子とイオンの通り道に印を付けるところから直しましょう。

範囲表とワークで出方を選ぶ

範囲表には単元名だけでなく、該当ページや授業プリントの指定も書き込みます。ワークの図を見直し、物質を水に溶かしたときに電流が流れるかを調べた箇所と、電池を作った箇所を探します。小テストで記号の右上が抜けたのか、移動する粒子を取り違えたのかも控えます。提出前に丸付けや直しが必要かどうかは、配られた条件に従って確認します。

学校によって範囲や学ぶ順は異なります。二期制なら前期・後期に読み替え、空欄には手元の範囲表にある内容を記入してください。表にないページや提出日を推測して埋める必要はありません。

出方の型は次の3つに分けられます。1つ目は電解質かどうかを実験結果から選び、電離とイオン式を書く型です。2つ目は水溶液中で電流が流れる理由を、粒子の電気と移動に触れて記述する型です。3つ目は電池の図で電子の向きと電極の変化を結ぶ型です。授業で未習の型を増やすより、まず範囲内の問題を自分の言葉で再現します。

粒子の電気と通り道に戻る

小テストで「水に溶ける物質は電解質」と書いて誤ったとします。水に溶けるかどうかと、水溶液に電流が流れるかどうかは別の確認です。水に溶けて電離し、水溶液が電流を通す物質を電解質といいます。砂糖のように水に溶けても電離せず、その水溶液が電流を通さない物質は非電解質です。溶けたことを粒子の図に描けても、電気を帯びた粒子があるかを見落とさないようにします。

原子が電子を失ったり受け取ったりして、電気を帯びた粒子をイオンといいます。電子を失うと正の電気を帯びた陽イオン、電子を受け取ると負の電気を帯びた陰イオンになります。複数の原子からなるイオンもあり、塩化物イオンのように1種類の原子からできるものと区別して式を読みます。電気を帯びない粒子と、電荷の符号が書かれたイオンを同じ丸で描くときは、凡例を付けて区別します。

電解質が水に溶けて陽イオンと陰イオンに分かれることを電離といいます。例えば塩化ナトリウムは水中でナトリウムイオン Na⁺ と塩化物イオン Cl⁻ に分かれます。水溶液全体では正と負の電気がつり合っていますが、個々のイオンは電気を帯びています。イオンが動けるため、水溶液に電流が流れます。電気を帯びていない砂糖の粒子を水中に描いても、電流を運ぶイオンを描いたことにはなりません。

図1のように、水溶液の中では陽イオンと陰イオンがそれぞれ反対向きの電極へ移動します。外部の導線の中を移動する電子とは、粒子の種類も通る場所も異なります。図1では電源につないだ電極を示しており、電池として取り出す場合の電極の役割は後の例で別に確認します。

電源につないだ電極では、陽イオンは負極へ、陰イオンは正極へ引き寄せられます。矢印を書く問題では、符号を先に書き込んでから向きを決めると、名前と矢印を取り違えにくくなります。イオンが動くことと、電極で電子の受け渡しが起きることを一続きの説明として整理しましょう。

基本例題：塩化銅水溶液を粒子で読む

次の問題を、図と短い文を使って解きます。水に溶けた塩化銅が電離しているとし、電源につないだ電極を水溶液に入れます。電極に電流が流れているとき、銅イオンと塩化物イオンがそれぞれどちらの電極へ移動するか答え、水溶液に電流が流れる理由を1文で書いてください。銅イオンの式は Cu²⁺、塩化物イオンの式は Cl⁻ とします。

まず、銅イオンの右上の 2⁺ は正の電気を表します。塩化物イオンの右上の ⁻ は負の電気を表します。正と負の符号が反対のものは引き合うので、Cu²⁺ は負極へ、Cl⁻ は正極へ向かいます。2⁺ の 2 は電気の大きさを表し、銅原子が2個あるという意味ではありません。

次に、電離の前後で原子の数と電気が合うように考えます。塩化銅 CuCl₂ の式には銅原子が1個、塩素原子が2個あります。そこで、CuCl₂ → Cu²⁺ + 2Cl⁻ と書きます。右側では正の電気が2、負の電気が合わせて2になり、全体としてつり合います。係数の2は塩化物イオンの個数を示し、右上の電荷とは役割が違います。

図2のように、電源につないだ負極へ銅イオン、正極へ塩化物イオンが動くことを図に戻して確認します。答えの文は「水溶液中に電気を帯びたイオンがあり、それぞれの電極へ移動できるからです」とまとめられます。水そのものが電子を導線と同じように運ぶ、という説明にはしません。

図2の負極では、銅イオンが電子を受け取って銅になり、電極に付着します。正極では塩化物イオンが電子を失い、塩素が発生します。イオンの移動先を答える問いと、電極でできる物質を答える問いは別です。問われた部分に線を引き、電極名だけでよいのか、変化まで必要なのかを確かめてから答案を閉じます。

塩化銅の電離式を逆に読み、右側の銅と塩素の個数を数えて元の CuCl₂ と照合します。電荷も Cu²⁺ の正の2と、2個の Cl⁻ の負の合計2がつり合います。どちらかが合わないときは係数や電荷を確かめますが、原子の数を合わせるためにイオン式の右上の電荷を勝手に変えてはいけません。

少し難しい例題：電池で電子の向きを追う

うすい塩酸に亜鉛板と銅板を入れ、外側を導線と電流計でつないだ電池を考えます。亜鉛が溶け出し、銅板の表面から水素が発生しているとします。亜鉛イオンを Zn²⁺、水素イオンを H⁺ として、負極と正極、導線中の電子の移動方向、各電極での変化を答えてください。

亜鉛板では亜鉛の原子が電子を放出し、亜鉛イオンとなって水溶液中に出ます。電子を出す側の亜鉛板が負極です。放出された電子は外部の導線を通り、銅板へ移動します。電子の移動方向は、電流の向きとは逆です。電流計の向きが問われた場合は、電子の矢印をそのまま電流の矢印にしないようにします。

銅板は正極です。ここでは水溶液中の水素イオンが銅板で電子を受け取り、水素になります。銅板そのものが水素に変わるわけではありません。銅板は電子の受け渡しが起きる場所として働きます。亜鉛板で生じた電子が導線を通って銅板に届き、そこで水素イオンに受け取られるという順にたどると、2つの変化をつなげて説明できます。

水溶液中にも電気を帯びた粒子があり、回路の一部として電気を運びます。導線中を動く電子がそのまま水溶液中を反対の電極まで泳ぐ、と描くのは誤りです。また、基本例題は電源を使って変化を起こす装置で、この例題は化学変化から電流を取り出す電池です。両方の図を見たとき、先に装置の目的と電極の符号を確かめてから矢印を付けます。

答えを条件に戻すと、亜鉛板が溶けるという観察は亜鉛原子がイオンになる説明と合います。銅板で水素が発生するという観察も、水素イオンが電子を受け取る説明に対応します。もし銅板から亜鉛板へ電子を動かす答えにすると、亜鉛が電子を放出する変化と向きが合いません。矢印だけでなく、その始点と終点の変化も点検します。

誤答を原因から直す

図3のように「水溶液中を電子が移動するので電流が流れる」と書いた答案を考えます。導線を通る電子の説明を、水溶液にもそのまま当てはめたことが原因です。直すときは「水溶液中をイオンが移動するので電流が流れる」と書き、電極での電子の受け渡しと区別します。電子という語を消すだけでなく、代わりに何が動くのかを書きます。

また、CuCl₂ の電離を Cu²⁺ + Cl⁻ と書く誤りでは、銅の数は合っていても塩素が1個不足し、電気もつり合いません。図3の通り道の誤りとは原因が異なるため、電離式に戻して原子の数と電荷の両方を数えます。2Cl⁻ の係数を書き足しても、右上の符号を落としたままならイオン式として不十分です。

電池で「銅板が溶けて銅イオンになり、電子が亜鉛板へ流れる」と書いた場合は、与えられた観察と照合します。例題では溶けるのは亜鉛板です。亜鉛が電子を放出するところを始点にすると、導線中の向きも直せます。観察を読まずに金属名だけを覚えた答案なのか、電子の向きだけを逆にした答案なのかを分けて直すと、次の図でも原因を見つけやすくなります。

練習問題

授業で扱った内容と照らしながら、次の4問に答えてください。図を描く場合は、粒子の名前と電荷も付けます。各問の条件は練習のために作ったものです。

1. 物質AとBをそれぞれ水に溶かし、同じ装置で調べたところ、Aの水溶液には電流が流れ、Bの水溶液には流れませんでした。Aは水中で電離するもの、Bは電離しないものとします。AとBを電解質、非電解質に分け、Aの水溶液に電流が流れる理由を1文で答えてください。
2. 塩化マグネシウム MgCl₂ が水中でマグネシウムイオン Mg²⁺ と塩化物イオン Cl⁻ に分かれます。電離を式で書き、原子の数と電荷が合う理由をそれぞれ答えてください。
3. 硫酸銅水溶液に電源につないだ電極を入れます。水溶液中に銅イオン Cu²⁺ と硫酸イオン SO₄²⁻ があるとき、各イオンが向かう電極を正極または負極で答えてください。
4. ある電池で、金属板Pから金属原子が電子を放出して陽イオンになり、外部の導線を通った電子が金属板Qへ届きます。PとQのどちらが負極か、導線中の電子の向きと電流の向きをそれぞれ板の記号で答えてください。

答えと解き方

1. Aは電解質、Bは非電解質です。理由の例は「Aは水中で電離して生じたイオンが移動するため、電流が流れるからです」です。Aが水に溶けたという事実だけでは理由として足りません。Bは水に溶けていても電離しないという条件なので、溶けることと電流が流れることを分けて判断します。答えを条件へ戻すと、Aには動くイオンがあり、Bにはその電離によるイオンがないため、示された観察に対応します。

2. MgCl₂ → Mg²⁺ + 2Cl⁻ です。左側のマグネシウム原子は1個、塩素原子は2個です。右側も Mg²⁺ が1個、Cl⁻ が2個なので、それぞれの原子数が合います。電荷は正の2と負の1が2個でつり合います。答えから右側の粒子を数え直すと、元の MgCl₂ の原子の組合せに戻ります。係数を付け忘れると塩素の数と電荷の両方が合いません。

3. Cu²⁺ は負極、SO₄²⁻ は正極に向かいます。正の電気を帯びた銅イオンは負極へ、負の電気を帯びた硫酸イオンは正極へ引き寄せられます。硫酸イオンの式の右上にある 2⁻ はイオン全体の電荷です。電極の符号とイオンの符号がそれぞれ反対になっているか、答案の矢印を元の図に戻して確認します。

4. 負極はPです。電子はPからQへ、電流はQからPへ流れます。Pで電子が放出されるという条件を始点にすれば、導線中の電子の向きが決まります。電流はその逆向きです。答えを条件に戻し、Pで出た電子がQに届く矢印になっているかを見ます。PからQへの電流と書いた場合は、電子と電流の向きを同じにしていないかを見直します。

覚えておくこと

• 電解質は水中で電離し、その水溶液は電流を通します。
• 水溶液中はイオン、導線中は電子の移動を考えます。
• 電離式では原子の数と電荷を照合します。
• 電池では電子を放出する負極から導線をたどります。

提出前に答案を見直す

範囲表のページに戻り、ワークの丸付けと直しが提出条件に合っているかを確認します。誤答の隣には正解を書き写すだけでなく、電極の符号、粒子の名前、矢印の始点と終点を記して、もう一度何も見ずに説明してみます。電離式で止まるなら原子の数と電荷、図で止まるなら水溶液と導線の境目、電池で止まるなら電子を放出する電極から見直します。

お子さまが正しい語を言えても図の矢印が逆なら、記憶よりも通り道の整理が必要かもしれません。個別指導では、答案の電荷、係数、電極の符号と説明文を並べ、どの段階で観察と食い違ったかを確かめます。水溶液と導線を分けた図が、電流の説明を支えます。