【高2化学】イオン化傾向の順番と反応の見分け方クイズ

金属のイオン化傾向とは？

金属のイオン化傾向とは、金属が電子を放出して陽イオンになりやすい性質の強さを表すものです。

「イオン化傾向が大きい」ということは、「陽イオンになりやすい」ということです。逆に「イオン化傾向が小さい」ということは、「陽イオンになりにくい」または「陽イオンから電子を受け取って単体に戻りやすい」ということです。

この性質は、金属が水や酸とどのように反応するか、電池がどのように働くかなどを理解する上でとても重要になります。

イオン化傾向の覚え方

多くの金属のイオン化傾向を、イオンになりやすい順に覚えるための語呂合わせがあります。代表的な金属の順番は次の通りです。

カリウム (K) ＞ カルシウム (Ca) ＞ ナトリウム (Na) ＞ マグネシウム (Mg) ＞ アルミニウム (Al) ＞ 亜鉛 (Zn) ＞ 鉄 (Fe) ＞ ニッケル (Ni) ＞ スズ (Sn) ＞ 鉛 (Pb) ＞ 水素 (H) ＞ 銅 (Cu) ＞ 水銀 (Hg) ＞ 銀 (Ag) ＞ 白金 (Pt) ＞ 金 (Au)

語呂合わせで覚える際は、水素を境に反応性が大きく変わるため、水素の位置を意識すると良いでしょう。

語呂合わせの例

「貸そうかな、ま、あてにするな、ひどすぎる借金」

• K：Kasou (カリウム)
• Ca：Ca (カルシウム)
• Na：Na (ナトリウム)
• Mg：Ma (マグネシウム)
• Al：Ate (アルミニウム)
• Zn：Ni (亜鉛)
• Fe：Suru (鉄)
• Ni：Na (ニッケル)
• Sn：Hido (スズ)
• Pb：Sugiru (鉛)
• H：H (水素)
• Cu：Syakkin (銅)
• Hg：Kin (水銀)
• Ag：Ag (銀)
• Pt：Pt (白金)
• Au：Au (金)

イオン化傾向の使い方

イオン化傾向は、様々な化学反応を予測するのに役立ちます。

1. 金属と水・酸との反応

• 水との反応: イオン化傾向の大きい金属（K, Ca, Naなど）は常温の水と激しく反応して水素を発生させます。Mgは熱水と、Al, Zn, Feは高温の水蒸気と反応します。

例: $2 ext{Na} + 2 ext{H}_2 ext{O} \rightarrow 2 ext{NaOH} + ext{H}_2$

• 酸との反応: イオン化傾向が水素(H)よりも大きい金属は、酸（塩酸や希硫酸など）と反応して水素を発生させます。水素よりも小さい金属（Cu, Agなど）は、酸と反応して水素を発生しません（ただし、酸化力のある酸とは反応することがあります）。

例: $ ext{Zn} + ext{H}_2 ext{SO}_4 \rightarrow ext{ZnSO}_4 + ext{H}_2$

2. 金属の単体とイオンの安定性

• イオン化傾向の大きい金属ほど、陽イオンとして存在したがります。
• イオン化傾向の小さい金属ほど、単体として存在したがります。

このため、イオン化傾向の大きい金属の単体は、イオン化傾向の小さい金属のイオンから電子を奪い、そのイオンを単体に戻すことができます。この反応は、金属の置換反応と呼ばれます。

例: 銅イオン $ ext{Cu}^{2+}$ を含む水溶液に亜鉛 $ ext{Zn}$ を入れると、亜鉛は銅よりもイオン化傾向が大きいため、亜鉛がイオンになり、銅イオンが電子を受け取って単体の銅として析出します。

$ ext{Zn} + ext{Cu}^{2+} \rightarrow ext{Zn}^{2+} + ext{Cu}$

3. 電池の原理

イオン化傾向の異なる2種類の金属を電解液に浸してつなぐと、イオン化傾向の大きい方の金属が電子を放出して陽イオンになり（負極）、その電子が外部回路を通ってイオン化傾向の小さい方の金属へ移動します（正極）。この電子の流れが電流となります。

例: ダニエル電池では、亜鉛(Zn)と銅(Cu)が用いられます。亜鉛の方が銅よりもイオン化傾向が大きいため、亜鉛が負極となり、電子を放出して亜鉛イオンになります。銅は正極となり、水溶液中の銅イオンが電子を受け取って単体の銅として析出します。

負極 (亜鉛): $ ext{Zn} \rightarrow ext{Zn}^{2+} + 2 ext{e}^-$

正極 (銅): $ ext{Cu}^{2+} + 2 ext{e}^- \rightarrow ext{Cu}$

確認問題

以下の問題に挑戦して、イオン化傾向の理解度を確かめましょう。

問題1

次の金属のうち、最もイオンになりやすいものはどれですか。

ア. 銅 (Cu)

イ. 鉄 (Fe)

ウ. 銀 (Ag)

エ. 金 (Au)

問題2

硫酸銅(II)水溶液に鉄 (Fe) の釘を入れると、どのような変化が起こると考えられますか。

ア. 鉄の釘が溶けて水素が発生する。

イ. 鉄の釘の表面に銅が析出する。

ウ. 変化は起こらない。

エ. 水溶液の色が薄くなるだけで、釘には変化がない。

問題3

ダニエル電池において、負極となるのはどちらの金属ですか。

ア. 銅 (Cu)

イ. 亜鉛 (Zn)

ウ. どちらでもない

エ. 電解液の種類による

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解答と解説

問題1

正解: イ. 鉄 (Fe)

解説:

金属のイオン化傾向は、以下の順に並んでいます。

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

選択肢の金属をこの順に並べると、Fe (鉄) > Cu (銅) > Ag (銀) > Au (金) となります。この中で最もイオン化傾向が大きい、つまり最もイオンになりやすいのは鉄 (Fe) です。

問題2

正解: イ. 鉄の釘の表面に銅が析出する。

解説:

鉄 (Fe) と銅 (Cu) のイオン化傾向を比較すると、鉄 (Fe) は銅 (Cu) よりもイオン化傾向が大きいです。

したがって、鉄の単体は銅イオン ($ ext{Cu}^{2+}$) から電子を奪い、自身が鉄イオン ($ ext{Fe}^{2+}$) になります。奪われた電子を受け取った銅イオンは単体の銅 (Cu) として析出します。

反応式: $ ext{Fe} + ext{Cu}^{2+} \rightarrow ext{Fe}^{2+} + ext{Cu}$

この結果、鉄の釘の表面には赤褐色の銅が析出し、水溶液の青色（銅イオンの色）は徐々に薄くなります。

問題3

正解: イ. 亜鉛 (Zn)

解説:

電池の負極では、金属が電子を放出して陽イオンになる「酸化」反応が起こります。これは、イオン化傾向の大きい金属の方が起こりやすい反応です。

ダニエル電池では、亜鉛 (Zn) と銅 (Cu) が使われます。亜鉛の方が銅よりもイオン化傾向が大きいため、亜鉛が電子を放出して亜鉛イオン ($ ext{Zn}^{2+}$) になり、負極となります。

負極: $ ext{Zn} \rightarrow ext{Zn}^{2+} + 2 ext{e}^-$

正極: $ ext{Cu}^{2+} + 2 ext{e}^- \rightarrow ext{Cu}$

このように、イオン化傾向の差が電池の電圧を生み出す原動力となります。