化学分野の用語と知識の問題
マグネシウム、亜鉛、銅の 3 種類の金属片と、硫酸マグネシウム水溶液、硫酸亜鉛水溶液、硫酸銅水溶液の 3 種類の水溶液を用意した。それぞれの金属片をそれぞれの水溶液に入れて、金属片の表面のようすを観察したところ、結果は次の表のようになった。
| 硫酸マグネシウム水溶液 | 硫酸亜鉛水溶液 | 硫酸銅水溶液 | |
|---|---|---|---|
| マグネシウム片 | — | 灰色の物質が付着した | 赤色の物質が付着した |
| 亜鉛片 | 変化しなかった | — | 赤色の物質が付着した |
| 銅片 | 変化しなかった | 変化しなかった | — |
次に、容器の中をセロハンで 2 つに仕切り、一方に硫酸マグネシウム水溶液を入れてマグネシウム板を、もう一方に硫酸亜鉛水溶液を入れて亜鉛板をひたした。マグネシウム板と亜鉛板を導線で光電池用モーターにつなぐと、モーターが回転し、電池になっていることがわかった。
この電池について説明した文として最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。
- ア 亜鉛板が－極になり、亜鉛原子が電子を失って亜鉛イオンになる。
- イ 電子は導線を通って亜鉛板からマグネシウム板へ移動する。
- ウ マグネシウム板が－極になり、マグネシウム原子が電子を失ってマグネシウムイオンになる。
- エ 電流は導線を通ってマグネシウム板から亜鉛板へ流れる。
- オ 亜鉛板の表面では、亜鉛原子が電子を受け取って亜鉛イオンになる。
この問題で使うもの
- 化学電池と金属のイオンへのなりやすさ（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（5 技能）
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
まず表の結果から、マグネシウム・亜鉛・銅のイオンへのなりやすさの順を決めよう。金属が付着したとき、どちらの金属がイオンになったかを考える。
ヒント 2
2 種類の金属を使った電池では、イオンになりやすいほうの金属が電子を失ってイオンになり、－極になる。また、電流の向きは電子の移動の向きと逆である。
ヒント 3
表から、マグネシウムは亜鉛よりイオンになりやすいとわかる。これをもとに、－極がどちらの板か、電子と電流がどちら向きに移動するかを確かめると、アとイとエは誤りだとわかる。残りの選択肢について、＋極の表面で電子を受け取るのが原子かイオンかを確かめよう。
答えと解説
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ウ
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解説を読む
【イオンへのなりやすさ】金属片の表面に別の金属が付着するのは、入れた金属が電子を失ってイオンになり、水溶液中の金属イオンがその電子を受け取って金属原子になったからである。したがって、付着が起こった組み合わせでは、入れた金属のほうが水溶液中の金属よりイオンになりやすい。
- マグネシウム片を硫酸亜鉛水溶液に入れると亜鉛が付着したので、マグネシウムは亜鉛よりイオンになりやすい。
- 亜鉛片を硫酸マグネシウム水溶液に入れても変化しなかったことからも、亜鉛はマグネシウムよりイオンになりにくいとわかる。
- 銅はどちらの水溶液でも変化せず、マグネシウムと亜鉛は硫酸銅水溶液で銅を付着させたので、銅が最もイオンになりにくい。
よって、イオンへのなりやすさは マグネシウム ＞ 亜鉛 ＞ 銅 である。
【電池のしくみ】2 種類の金属を使った電池では、イオンになりやすいほうの金属が電子を失ってイオンになり、その電子が導線へ出ていくので－極になる。この電池ではマグネシウムのほうがイオンになりやすいので、
- －極（マグネシウム板）：
- ＋極（亜鉛板）：
となる。電子は導線を通ってマグネシウム板（－極）から亜鉛板（＋極）へ移動し、電流は電子の移動と逆向きに、亜鉛板から導線を通ってマグネシウム板へ流れる。これは、ダニエル電池で亜鉛板が－極、銅板が＋極になるのと同じしくみである。
【選択肢の検討】
- ア 誤り。－極になるのはイオンになりやすいマグネシウム板であり、亜鉛板は＋極である。
- イ 誤り。電子は－極のマグネシウム板から＋極の亜鉛板へ移動する。向きが逆である。
- ウ 正しい。マグネシウム板が－極になり、マグネシウム原子が電子を 2 個失ってマグネシウムイオンになる。
- エ 誤り。電流は＋極の亜鉛板から導線を通って－極のマグネシウム板へ流れる。向きが逆である。
- オ 誤り。亜鉛板の表面では、水溶液中の亜鉛イオンが電子を受け取って亜鉛原子になる。原子とイオンの関係が逆である。
したがって、答えはウである。
別解
表から金属のイオンへのなりやすさ（イオン化傾向）を調べる。マグネシウム片は硫酸亜鉛水溶液で亜鉛が付着するので、マグネシウムは亜鉛よりイオンになりやすい。亜鉛片は硫酸マグネシウム水溶液で変化しないので、亜鉛はマグネシウムよりイオンになりにくい。亜鉛は銅よりイオンになりやすい。よって、イオンへのなりやすさは マグネシウム＞亜鉛＞銅 となる。
マグネシウム板と亜鉛板の電池では、よりイオンになりやすいマグネシウム板が－極になる。マグネシウム原子が電子を失ってマグネシウムイオンになる（Mg → Mg²⁺ + 2e⁻）。電子は導線を通ってマグネシウム板から亜鉛板へ移動する。亜鉛板が＋極で、亜鉛板の表面では水溶液中の亜鉛イオンが電子を受け取って亜鉛原子になる。電流の向きは電子の向きと逆なので、亜鉛板からマグネシウム板へ流れる。
各選択肢の検討：
ア：亜鉛板は＋極なので誤り。
イ：電子はマグネシウム板から亜鉛板へ移動するので誤り。
ウ：正しい。
エ：電流は亜鉛板からマグネシウム板へ流れるので誤り。
オ：亜鉛原子が亜鉛イオンになるのは逆で、亜鉛イオンが電子を受け取って亜鉛原子になるので誤り。
したがって、答えはウ。