高校化学基礎 金属のイオン化傾向—電子を失う向きから置換反応の可否を考える｜武蔵野個別指導塾

置換反応では金属と金属イオンを区別し、水素発生では酸の種類と表面の条件を確かめて電子の移動を判断します。

よくあるのは、金属の並びを覚えた高校生が、酸の名前を読まずに「水素より左だから水素が出る」と答案に書く場面です。金属の順番は判断の手がかりですが、反応相手が金属イオンなのか、希塩酸中の水素イオンなのかで、受け取る粒子が変わります。硝酸のように酸の種類が違えば、同じ判断をそのまま持ち込めません。まず粒子を書き分け、条件に合った電子の受け渡しを追いましょう。

答案で問われる3つの判断

1つ目は、金属を別の金属のイオンを含む水溶液に入れたときの置換反応です。例えば、金属Aと金属Bのイオンが接している場合、Aの原子が電子を失い、Bのイオンが電子を受け取って金属Bになるかを考えます。溶液に最初からあるBはイオンであり、金属片そのものではありません。名称が同じでも状態を区別することが出発点です。

2つ目は、希塩酸や希硫酸と金属の反応です。ここでは金属が出した電子を水素イオンが受け取り、水素分子になるかを問われます。水素は金属ではありませんが、並びの中に比較の目印として置きます。酸が単に「酸」としか書かれていない場合、種類や濃度を勝手に決めて生成物を断定することはできません。

3つ目は、反応式や観察結果から電子の移動を説明する問題です。金属が溶けるという見た目と、金属原子が陽イオンになるという粒子の変化を対応させます。物質名を入れ替えただけの文章では、どちらが酸化されたかを示せません。式では原子の数と電荷を左右で比べ、電子の数まで確認します。

並びを電子の受け渡しに翻訳する

金属のイオン化傾向は、金属原子が電子を失って陽イオンになろうとする傾向です。基礎的な問題で扱う並びの一部を、傾向が大きい順に書くと、次のようになります。

Mg > Zn > Fe > (H) > Cu > Ag

ここでは問題に使う粒子を比べやすくするため、代表的なものを抜き出しています。左側の金属ほど、右側の金属より電子を失いやすいと考えます。図1のように、金属側から電子が出て、相手のイオン側に渡る向きを描くと、置換の判断を整理できます。

図1は原子やイオンの並びを粒子の大きさどおりに示した図ではなく、電子の受け渡しを表す模式図です。ZnはCuより左にあるため、亜鉛の原子が電子を失い、銅イオンが電子を受け取る向きで反応を考えます。電子を失う変化が酸化、受け取る変化が還元です。片方だけでは電子の行き先がなく、両方の変化が対になって起こります。

この比較は、金属片と水溶液中の金属イオンという組合せで使います。例えば銅イオンの水溶液に亜鉛を入れる場合と、亜鉛イオンの水溶液に銅を入れる場合では、溶液中に最初からあるイオンが異なります。2つの元素名が同じでも、金属とイオンを入れ替えれば判断は逆になります。並びの左右に印をつける前に、それぞれの記号に電荷があるか確認しましょう。

水素については、金属原子と水素イオンを比べます。希塩酸や希硫酸で、水素よりイオン化傾向が大きい金属は、条件が整えば水素イオンを還元して水素を発生します。一方、水素より小さい銅や銀は、希塩酸や希硫酸の水素イオンを還元して水素を発生するとは考えません。硝酸では硝酸イオンも酸化に関わるため、この水素発生の規則をそのまま適用できません。金属表面の状態や反応条件も実際の反応に影響します。

基本例題：亜鉛と銅イオン

【問題】亜鉛板を、硫酸銅(II)水溶液に入れます。亜鉛と銅のイオン化傾向は Zn > Cu で、亜鉛の表面を覆う膜の影響はなく、反応する条件が整っているものとします。反応するかを答え、亜鉛と銅イオンの変化をそれぞれ電子を含む式で示し、全体のイオン反応式を書いてください。電子の数と電荷のつり合いも説明してください。

まず、入れる固体はZn、溶液中で相手になる粒子はCu²⁺です。硫酸銅(II)の名称から、反応相手を金属Cuと読まないようにします。ZnはCuよりイオン化傾向が大きいため、この条件では置換反応が起こります。図2のように、亜鉛から出る電子と銅イオンが受け取る電子を結びます。

亜鉛原子1個は電子2個を失って亜鉛イオンになります。原子数と電荷を左右で比べると、左はZnが1個で電荷0、右もZnが1個で、Zn²⁺の電荷+2と電子2個の電荷-2の和が0です。

Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

銅イオン1個は電子2個を受け取って銅原子になります。左は銅が1個、電荷は+2と-2の和で0です。右も銅が1個で、電荷は0です。

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

両式で移動する電子は2個ずつです。各辺を足し、両辺にある2e⁻を消去すると次の式になります。

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

左辺も右辺も亜鉛原子と銅原子はそれぞれ1個です。電荷は左辺が+2、右辺も+2なのでつり合います。これを問題の場面に戻すと、亜鉛の一部はZn²⁺として溶液に入り、もともと溶液にあったCu²⁺は金属の銅になります。硫酸イオンを含む物質の式では Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu と書けます。硫酸イオンはこの整理では反応前後で変化しないため、イオン反応式には現れません。

亜鉛が銅を「押し出す」と覚えるだけでは、何がどの状態から変わったかが残りません。Znが酸化され、Cu²⁺が還元されると書けば、生成する粒子と電子の向きが同時に確認できます。図2の電子の矢印も、亜鉛から銅イオンへの向きになっています。

条件を変えたときの分かれ目

【問題】同じ質量の鉄片を2枚用意します。一方を十分な量の希塩酸に、もう一方を硝酸に入れる場面を考えます。鉄の表面の膜の影響はなく、希塩酸との反応では鉄がFe²⁺になるものとします。希塩酸の場合に生じる気体の名称と、鉄および水素イオンの変化を表す式、全体のイオン反応式を答えてください。硝酸の場合にも、鉄が水素より左にあるという情報だけで同じ気体の発生を断定できるか、酸の種類に触れて答えてください。

鉄は水素よりイオン化傾向が大きく、示された希塩酸の条件では水素を発生します。鉄原子1個が2個の電子を失います。

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻

水素イオン1個が受け取れる電子は1個ですが、水素分子は水素原子2個からなります。したがって水素イオン2個が電子2個を受け取ります。

2H⁺ + 2e⁻ → H₂

電子数がそろっているので、両式を足して電子を消します。

Fe + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂

鉄は左右に1個、水素原子は左右に2個です。電荷は左が+2、右も+2です。希塩酸中の塩化物イオンも含めれば Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ と表せます。問題の場面に戻して、鉄から出る電子2個を水素イオン2個が受け取ると、水素分子1個を作れることも確認します。

硝酸に入れた場合は、鉄の位置だけから同じ気体が出ると断定できません。硝酸は酸化作用を持ち、濃度などによって反応や生成物が変わります。金属と酸が反応することと、水素が発生することは同じ意味ではありません。この問題で指定された情報からは、硝酸側の詳しい生成物を決めず、希塩酸で使った規則の適用範囲を答えます。

誤答を粒子と条件から直す

誤答1は「銅を亜鉛イオンの水溶液に入れると、銅が電子を出し、亜鉛が析出する」です。原因は、金属名を2つ見つけた後、どちらが固体でどちらがイオンかを見ずに、反応が起こる組合せを思い出してしまうことです。図3のように、入れる金属Cuと溶液中のZn²⁺を書いてから順を比べます。CuはZnよりイオン化傾向が小さいので、この置換は起こると判断しません。

図3の「起こらない」は、示された銅と亜鉛イオンの置換についての判断です。あらゆる条件で銅が何とも反応しないという意味ではありません。反応しない問題では、無理に生成物を書かず、金属とイオンの位置関係を理由にします。

誤答2は「水素より左の金属なら、どの酸でも水素を生じる」です。原因は、希塩酸や希硫酸で使った規則から酸の条件が抜け落ちることです。問題文の酸名と濃度に線を引き、硝酸では別の酸化作用を考える必要があると修正します。酸が特定されないときは、金属の位置だけで水素発生を決めず、判断に必要な条件を挙げます。

誤答3は「2H⁺ + e⁻ → H₂」です。水素原子の数は合っていますが、電荷が左で+1、右で0になり、電子が1個足りません。2H⁺ + 2e⁻ → H₂ と直して、原子数と電荷を両方確認します。原子数だけの点検では見逃すため、電荷の合計を書く欄を別に設けると見直しやすくなります。

自分で試す問題

次の問題は、表面の膜や副反応の影響がなく、記された反応の条件が整っているものとします。イオン化傾向は Mg > Zn > Fe > (H) > Cu > Ag として考えてください。式では電子の数を最小の整数で示し、理由には指定された粒子名を含めます。

1. マグネシウム片を硫酸亜鉛水溶液に入れます。置換反応の可否を答え、MgとZn²⁺の変化を電子を含む2つの式と全体のイオン反応式で表してください。
2. 銀片を硫酸鉄(II)水溶液に入れます。鉄が析出するかを答え、銀と鉄のイオン化傾向、および溶液中のFe²⁺という粒子名を使って理由を書いてください。
3. 十分な量の希硫酸に亜鉛を入れると、亜鉛がZn²⁺になり水素が発生します。亜鉛と水素イオンの変化を電子を含む式で示し、全体のイオン反応式を書いてください。水素分子1個ができるときに必要な水素イオンと電子の個数も整数で答えてください。
4. 銀片を十分な量の希塩酸に入れる場合と、硝酸に入れる場合を考えます。前者で水素イオンから水素が発生すると考えるかを答えてください。後者で金属の並びだけから反応しないと断定できるかを、硝酸の性質に触れて答えてください。

解答と確かめ方

1. 反応します。MgはZnよりイオン化傾向が大きく、Mgが電子を失ってMg²⁺になり、Zn²⁺が電子を受け取ってZnになります。

Mg → Mg²⁺ + 2e⁻

Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn

Mg + Zn²⁺ → Mg²⁺ + Zn

電子は2個ずつで一致します。全体の式の左右でMgとZnは各1個、電荷はどちらも+2です。元の場面では、金属だったMgがイオンとなり、溶液中のZn²⁺が金属になるので、入れたものと析出するものを逆にしていません。

2. 鉄は析出しません。銀は鉄よりイオン化傾向が小さく、銀から溶液中のFe²⁺へ電子を渡して鉄を生じる置換は起こると判断できないからです。銀片を入れたという条件に戻ると、電子を出す候補はAgであり、Feの金属片ではありません。前の問題のように大きい側の金属を入れた場合と区別できます。

3. 亜鉛と水素イオンの式は次のとおりです。

Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

2H⁺ + 2e⁻ → H₂

Zn + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂

水素分子1個には水素原子が2個あるため、水素イオン2個と電子2個が必要です。全体の式でZnは左右各1個、Hは左右各2個、電荷は左右とも+2です。希硫酸の硫酸イオンを含めると Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂ となり、各元素の数も元の条件に戻して確かめられます。

4. 希塩酸では水素の発生は考えません。銀は水素よりイオン化傾向が小さく、希塩酸中の水素イオンに電子を渡して水素を生じる向きには進まないからです。硝酸では並びだけから反応しないと断定できません。硝酸には酸化作用があり、希塩酸で用いた水素との比較だけでは扱えないためです。後者については、条件をさらに調べずに気体の名称を決めないことも大切です。

答案の前に残す4行

金属の傾向は電子を失って陽イオンになる向きで読む。
置換では、入れた金属と溶液中の金属イオンを区別する。
水素発生を判断するときは酸の種類と条件を読む。
式は原子数、電荷、受け渡す電子数を照合する。

どこで止まったかを見分ける

並びを言えるのに置換の向きを逆にする場合は、問題文の金属片と水溶液中のイオンを別々に書き出してみましょう。記号に電荷を付けた後、どの粒子が電子を出すかを矢印で示すと、位置関係と粒子の役割を結び付けられます。反応が起こらない組合せでも、理由を同じ手順で説明できるかが確認点です。

水素の問題で止まる場合は、まず酸の名前を指さし、希塩酸・希硫酸の規則を使えるかを言葉にします。次にH⁺とH₂を区別し、電子と水素原子をそれぞれ数えます。個別指導では、書いた式の左辺と右辺で原子数と電荷がどうそろうか、本人の説明を確かめると、暗記の抜けと粒子の取り違えを分けて見直せます。金属の順に、相手と条件を添えて判断します。