金属のイオン化傾向・電池・電気分解 ── 問題
基礎
- Cu と Pt では、どちらのイオン化傾向が大きいですか。 （ア Pt イ Cu）
- 常温の水と反応して水素を発生する金属はどれですか。 （ア 銅 Cu イ ナトリウム Na ウ 亜鉛 Zn エ 鉄 Fe）
- 希塩酸には溶けないが、硝酸には溶ける金属はどれですか。 （ア マグネシウム Mg イ 亜鉛 Zn ウ 金 Au エ 銅 Cu）
標準
- 鉄 Fe の板を 硫酸亜鉛 ZnSO₄ の水溶液に入れたとき、どうなりますか。 （ア Zn が溶けて Fe が析出する イ 反応しない ウ Fe が溶けて Zn が析出する エ 両方とも溶ける）
- ダニエル電池（Zn | ZnSO₄aq | CuSO₄aq | Cu）について、素焼き板の役割はどれですか。 （ア Cu²⁺ だけを通す イ 2 つの水溶液が混ざるのを防ぎながらイオンを通す ウ 電子を通す エ 水溶液を完全に隔てて何も通さない）
- 水酸化ナトリウム NaOH 水溶液を白金電極で電気分解したとき、陰極 に生じる物質はどれですか。 （ア Cu イ Na ウ O₂ エ H₂）
- 4.1 A の電流を 200 秒間流したときの電気量は何 C ですか。
- 電池と電気分解における酸化・還元の対応として正しいものはどれですか。 （ア 電池の負極と電気分解の陽極で酸化が起こる イ 電池の負極と電気分解の陰極で酸化が起こる ウ 電池の正極と電気分解の陽極で酸化が起こる エ 電池ではどちらの極でも酸化が起こる）
- 鉛蓄電池について正しいものはどれですか。 （ア 負極が PbO₂、正極が Pb の二次電池 イ 電解液は水酸化ナトリウム水溶液 ウ 充電できる二次電池で、電解液は希硫酸 エ 一次電池で、充電して使うことはできない）
- ダニエル電池で 2 A の電流を 4825 秒間流した。負極の亜鉛板の質量は何 g 減りますか。ファラデー定数を 9.65 × 10⁴ C/mol、Zn ＝ 65 とする。
- 金属 A・B・C の板を、ほかの金属のイオンを含む水溶液に入れた。 A を B のイオンの水溶液へ｜B が析出した A を C のイオンの水溶液へ｜変化なし B を C のイオンの水溶液へ｜変化なし A・B・C をイオン化傾向の大きい順に並べたものはどれですか。 （ア A ＞ C ＞ B イ C ＞ A ＞ B ウ B ＞ A ＞ C エ A ＞ B ＞ C）
- ダニエル電池をしばらく使った。亜鉛板と銅板の質量はそれぞれどうなりますか。 （ア 亜鉛板は減り、銅板は増える イ どちらも減っていく ウ どちらも変わらない エ 亜鉛板は増え、銅板は減る）
発展
- 硫酸銅（Ⅱ）水溶液を白金電極で電気分解し、2.5 A の電流を 1158 秒間流した。陰極に析出する銅の質量は何 g ですか。ファラデー定数を 9.65 × 10⁴ C/mol、Cu ＝ 64 とする。
- 白金電極で水を電気分解し、電子 0.2 mol 分の電気量を流した。陽極に発生する酸素は標準状態で何 L ですか。2H₂O → O₂ ＋ 4H⁺ ＋ 4e⁻、標準状態の気体 1 mol の体積を 22.4 L とする。
- 硫酸銅（Ⅱ）水溶液を「銅電極」で電気分解したとき、陽極で起こる反応はどれですか。 （ア 2Cl⁻ → Cl₂ ＋ 2e⁻ イ 2H₂O → O₂ ＋ 4H⁺ ＋ 4e⁻ ウ Cu²⁺ ＋ 2e⁻ → Cu エ Cu → Cu²⁺ ＋ 2e⁻（陽極の銅が溶ける））
- トタン（亜鉛めっきした鉄）に傷がついても鉄がさびにくい理由はどれですか。 （ア Zn が Fe より先に酸化されるから イ Zn が Fe を周りの還元剤から守るから ウ Zn が Fe より硬いから エ Zn は空気中で酸化されないから）
- アルミニウムの製錬について正しいものはどれですか。 （ア アルミニウムは自然界に単体で存在する イ 鉄と同じように溶鉱炉で CO によって還元する ウ ボーキサイトを水に溶かして電気分解する エ アルミナを氷晶石とともに融解して電気分解する）
- 硫酸銅(II) 水溶液を白金電極で電気分解し、5 A の電流を流して陰極に銅 1.28 g を析出させたい。電流を流す時間は何秒ですか。ファラデー定数を 9.65 × 10⁴ C/mol、Cu ＝ 64 とする。
- 銅板と亜鉛板をレモンにさして導線でつなぐと電流が流れた。両方を亜鉛板にかえると電流はどうなりますか。その理由とあわせて最も適当なものはどれですか。 （ア 流れる（亜鉛はイオン化傾向が大きく溶けやすいため） イ 流れない（同じ金属ではイオン化傾向に差がないため） ウ より大きく流れる（亜鉛が 2 枚とも溶け出すため） エ 向きが逆になって流れる（正極と負極が入れかわるため））
金属のイオン化傾向・電池・電気分解 ── 解答
基礎
- イ Cu イオン化傾向：Li ＞ K ＞ Ca ＞ Na ＞ Mg ＞ Al ＞ Zn ＞ Fe ＞ Ni ＞ Sn ＞ Pb ＞ (H₂) ＞ Cu ＞ Hg ＞ Ag ＞ Pt ＞ Au。答え：Cu。
- イ ナトリウム Na Li・K・Ca・Na は常温の水と反応。Zn・Fe は高温の水蒸気と、Cu は反応しない。
- エ 銅 Cu Cu・Hg・Ag はイオン化傾向が H より小さく希酸に溶けないが、酸化力のある硝酸・熱濃硫酸には溶ける。Au は王水のみ。
標準
- イ 反応しない イオン化傾向の大きい金属が溶けて陽イオンになり、小さい金属のイオンが電子を受け取って析出する。入れた金属のほうが小さければ反応しない。答え：反応しない。
- イ 2 つの水溶液が混ざるのを防ぎながらイオンを通す 負極（Zn：イオン化傾向大）で酸化 Zn → Zn²⁺ ＋ 2e⁻、正極（Cu）で還元 Cu²⁺ ＋ 2e⁻ → Cu。電子は負極 → 正極、電流は逆。Zn 板は溶けて減り、Cu 板は増える。答え：2 つの水溶液が混ざるのを防ぎながらイオンを通す。
- エ H₂ 陰極（還元）：イオン化傾向の小さい金属イオン（Cu²⁺・Ag⁺）は析出、Na⁺ などは析出せず水が還元されて H₂。陽極（酸化・白金電極）：Cl⁻ があれば Cl₂、なければ水が酸化されて O₂。答え：H₂。
- 820 Q ＝ It ＝ 4.1 × 200 ＝ 820 C。
- ア 電池の負極と電気分解の陽極で酸化が起こる 電子が出ていく極（電池の負極・電気分解の陽極）で酸化、入ってくる極（正極・陰極）で還元。
- ウ 充電できる二次電池で、電解液は希硫酸 負極 Pb・正極 PbO₂・電解液は希硫酸の二次電池。放電すると両極に PbSO₄ が生じ硫酸が薄くなる。自動車のバッテリー。充電は放電の逆反応。
- 3.25 電気量 ＝ 2 × 4825 ＝ 9650 C、電子 ＝ 9650 ÷ 96500 ＝ 0.1 mol。Zn → Zn²⁺ ＋ 2e⁻ なので Zn は 0.05 mol 溶け、0.05 × 65 ＝ 3.25 g 減る。
- イ C ＞ A ＞ B イオン化傾向の大きい金属が溶け、小さい金属のイオンが析出する。A ＞ B、C ＞ A（A は C のイオンと反応しない）なので C ＞ A ＞ B。
- ア 亜鉛板は減り、銅板は増える 負極では Zn → Zn²⁺ ＋ 2e⁻ で亜鉛が溶ける。正極では Cu²⁺ ＋ 2e⁻ → Cu で銅が析出する。
発展
- 0.96 Q ＝ 2.5 × 1158 ＝ 2895 C → e⁻ ＝ Q ÷ 96500 ＝ 3/100 mol。Cu²⁺ ＋ 2e⁻ → Cu なので Cu は e⁻ の 1/2 → × 64 ＝ 0.96 g。
- 1.12 O₂ 1 mol に e⁻ 4 mol。O₂ ＝ 0.2 ÷ 4 mol → × 22.4 ＝ 1.12 L。（陰極の H₂ は e⁻ 2 mol で 1 mol なので体積比 H₂：O₂ ＝ 2：1）
- エ Cu → Cu²⁺ ＋ 2e⁻（陽極の銅が溶ける） 陽極が Cu・Ag など溶けやすい金属なら電極自身が酸化されて溶ける。銅の電解精錬の原理。
- ア Zn が Fe より先に酸化されるから Zn のほうが Fe よりイオン化傾向が大きく、Zn が先に酸化されて Fe を守る。ブリキ（Sn めっき）は逆に、傷がつくとイオン化傾向の大きい Fe が先にさびる。
- エ アルミナを氷晶石とともに融解して電気分解する ボーキサイトからアルミナ Al₂O₃ を取り出し、氷晶石とともに融解して電気分解する（溶融塩電解）。Al³⁺ はイオン化傾向が大きく水溶液の電気分解では析出しない（H₂ が出る）。大量の電気を使うためリサイクルが重要。
- 772 Cu²⁺ ＋ 2e⁻ → Cu。銅 1.28 g ＝ 0.02 mol なので電子は 0.04 mol、電気量 ＝ 0.04 × 96500 ＝ 3860 C。時間 ＝ 3860 ÷ 5 ＝ 772 秒。
- イ 流れない（同じ金属ではイオン化傾向に差がないため） 電池の電圧は 2 つの電極のイオン化傾向の差から生じる。同じ金属どうしでは差がないので、電流は流れない。
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