金属のイオン化傾向

要点整理

イオン化傾向とイオン化列

金属の単体を水溶液に入れたとき、電子を失って陽イオンになろうとする性質の強さをイオン化傾向といいます。イオン化傾向の大きい金属ほど、酸化されやすい(電子を失いやすい)金属です。代表的な金属を、イオン化傾向の大きい順に並べたものをイオン化列といい、次のようになります。

$\ce{Li > K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > (H2) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au}$

(水素 $\ce{H2}$ は金属ではありませんが、金属と比較するための基準として、この列の中に位置づけられています。)

イオン化列は「リッチに貸そうかな、まああてにするな、ひどすぎる借金」という語呂合わせで覚えるのが定番です。イオン化列の順番を覚えておくと、金属が水や酸とどう反応するか、金属どうしがどう置き換わるかを、暗記に頼らず予測できるようになります。

金属と水の反応性

• $\ce{Li}$、$\ce{K}$、$\ce{Ca}$、$\ce{Na}$:イオン化傾向が非常に大きく、常温の水と激しく反応して水素を発生する。

$\ce{2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2}$

• $\ce{Mg}$:熱水(高温の水)とは反応するが、常温の水とはほとんど反応しない。
• $\ce{Al}$、$\ce{Zn}$、$\ce{Fe}$:高温の水蒸気とは反応するが、常温・熱水では反応しにくい。
• それより右側の金属($\ce{Ni}$以降):水とはほとんど反応しない。

金属と酸の反応性

イオン化列の中で水素より左側にある金属($\ce{Li}$~$\ce{Pb}$)は、希塩酸や希硫酸のような酸に溶けて水素を発生します。

$\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}$

一方、水素より右側にある金属($\ce{Cu}$、$\ce{Hg}$、$\ce{Ag}$、$\ce{Pt}$、$\ce{Au}$)は、希塩酸や希硫酸には溶けません。ただし $\ce{Cu}$、$\ce{Hg}$、$\ce{Ag}$ は、希硝酸・濃硝酸・熱濃硫酸のような酸化力の強い酸になら溶けます。これは、これらの酸が単なる $\ce{H+}$ の供給源としてだけでなく、$\ce{NO3-}$ や熱した $\ce{SO4^2-}$ 自体が強い酸化剤としてはたらき、金属を酸化して溶かすことができるためです。

さらにイオン化傾向が小さい $\ce{Pt}$ と $\ce{Au}$ は、硝酸や熱濃硫酸にも溶けません。これらを溶かせるのは、濃硝酸と濃塩酸を体積比1:3で混合した王水だけです。

なお、$\ce{Pb}$ は水素よりイオン化傾向が大きいにもかかわらず、希塩酸や希硫酸とはほとんど反応が進みません。これは、生成する $\ce{PbCl2}$ や $\ce{PbSO4}$ が水に溶けにくく、鉛の表面を覆ってしまい、内部まで酸が届かなくなるためです。

不動態

$\ce{Al}$、$\ce{Fe}$、$\ce{Ni}$ は、濃硝酸に入れると表面に緻密な酸化被膜が生成し、内部が酸化されなくなる不動態という状態になります。これらの金属自体はイオン化傾向が比較的大きく反応性の高い金属ですが、不動態になることで見かけ上は濃硝酸と反応しなくなります。このため、濃硝酸は鉄やアルミニウムの容器で保存・輸送することができます。

イオン化傾向と置換反応

イオン化傾向が異なる2種類の金属では、イオン化傾向の大きい金属が電子を失って溶け出し、イオン化傾向の小さい金属イオンがその電子を受け取って単体として析出する、という置換反応が起こります。例えば硫酸銅(Ⅱ)水溶液に亜鉛板を入れると、

$\ce{Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu}$

$\ce{Zn}$($\ce{Cu}$よりイオン化傾向が大きい)が溶け出して $\ce{Zn^2+}$ になり、代わりに $\ce{Cu^2+}$ が電子を受け取って $\ce{Cu}$ の単体として亜鉛板の表面に析出します。この現象は、次の単元で学ぶ電池の原理の基礎になります。

例題

例題1(基本)

問題

次の金属 $\ce{Mg}$、$\ce{Cu}$、$\ce{Fe}$、$\ce{Ag}$、$\ce{Zn}$ のうち、希塩酸と反応して水素を発生するものをすべて選べ。

解答・解説を見る

イオン化列で水素より左側にある金属は希塩酸と反応して水素を発生します。$\ce{Mg}$、$\ce{Fe}$、$\ce{Zn}$ は水素よりイオン化傾向が大きいので反応します。$\ce{Cu}$、$\ce{Ag}$ は水素よりイオン化傾向が小さいので、希塩酸とは反応しません。

答え:$\ce{Mg}$、$\ce{Fe}$、$\ce{Zn}$

例題2(標準)

問題

硫酸銅(Ⅱ)水溶液に亜鉛板を入れると、どのような変化が起こるか。化学反応式を示しながら説明せよ。

解答・解説を見る

亜鉛は銅よりイオン化傾向が大きいので、亜鉛が電子を失って $\ce{Zn^2+}$ となって溶け出します。放出された電子は水溶液中の $\ce{Cu^2+}$ に受け取られ、$\ce{Cu^2+}$ は還元されて銅の単体として亜鉛板の表面に析出します。反応式は次の通りです。

$\ce{Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu}$

水溶液の色は、$\ce{Cu^2+}$ が減っていくため、青色がしだいに薄くなっていきます。

答え:亜鉛が溶けて $\ce{Zn^2+}$ になり、銅が単体として析出する($\ce{Zn + CuSO4 -> ZnSO4 + Cu}$)。水溶液の青色は薄くなる。

例題3(応用)

問題

イオン化傾向が異なる3種類の金属 $\mathrm{X}$、$\mathrm{Y}$、$\mathrm{Z}$ について、次の実験結果が得られた。

実験1:$\mathrm{X}$ の単体を、$\mathrm{Y}$ のイオンを含む水溶液に入れると、$\mathrm{X}$ の表面に $\mathrm{Y}$ の単体が析出した。

実験2:$\mathrm{Y}$ の単体を希塩酸に入れても、変化は見られなかった。

実験3:$\mathrm{Z}$ の単体を、$\mathrm{X}$ のイオンを含む水溶液に入れると、$\mathrm{Z}$ の表面に $\mathrm{X}$ の単体が析出した。

これらの結果から、$\mathrm{X}$、$\mathrm{Y}$、$\mathrm{Z}$ をイオン化傾向の大きい順に並べよ。また、水素はこの順列のどこに位置づけられるか答えよ。

解答・解説を見る

実験1の解釈

$\mathrm{X}$ が溶けて $\mathrm{Y}$ が析出したということは、$\mathrm{X}$ の方が $\mathrm{Y}$ よりイオン化傾向が大きいということです。

$\mathrm{X} > \mathrm{Y}$

実験3の解釈

$\mathrm{Z}$ が溶けて $\mathrm{X}$ が析出したということは、$\mathrm{Z}$ の方が $\mathrm{X}$ よりイオン化傾向が大きいということです。

$\mathrm{Z} > \mathrm{X}$

この2つを合わせると、$\mathrm{Z} > \mathrm{X} > \mathrm{Y}$ という順番になります。

実験2の解釈

$\mathrm{Y}$ が希塩酸と反応しなかったということは、$\mathrm{Y}$ は水素よりイオン化傾向が小さいということです。

$(\ce{H2}) > \mathrm{Y}$

$\mathrm{X}$、$\mathrm{Z}$ は水素より左側にあることが実験1・3からわかっている(水素を挟む位置関係についての情報はまだない)ので、水素は $\mathrm{X}$ と $\mathrm{Y}$ の間に位置づけられます。

答え:イオン化傾向の順は $\mathrm{Z} > \mathrm{X} > (\ce{H2}) > \mathrm{Y}$

練習問題

問題

濃硝酸にも熱濃硫酸にも溶けない金属 $\ce{Pt}$(白金)を溶かすことができる酸(または混合液)を1つ答えよ。

答え

王水(濃硝酸と濃塩酸を体積比1:3で混合した溶液)