酸化還元と電池・電気分解（知識）の問題

難易度 3共通テストレベル高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識）

鉛蓄電池は、負極に鉛 $Pb$ 、正極に酸化鉛(IV) $Pb O_{2}$ 、電解液に希硫酸を用いた二次電池である。鉛蓄電池について述べた次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜カのうちから 1 つ選べ。

「鉛蓄電池を放電させると、（ a ）の表面に水に溶けにくい硫酸鉛(II) $PbS O_{4}$ が生じる。また、放電にともなって電解液の密度は（ b ）。」

	a	b
ア	負極だけ	大きくなる
イ	正極だけ	小さくなる
ウ	正極と負極の両方	大きくなる
エ	負極だけ	小さくなる
オ	正極と負極の両方	小さくなる
カ	正極だけ	大きくなる

この問題で使うもの

実用電池（一次電池・二次電池・燃料電池）（説明と入口の問題）

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ヒント

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ヒント 1

鉛蓄電池の負極と正極で放電時に起こる反応（半反応式）を思い出そう。

ヒント 2

負極では $Pb$ が酸化され、正極では $Pb O_{2}$ が還元される。どちらの電極でも、生じた $P b^{2 +}$ が硫酸イオンと結びつく。

ヒント 3

a は全体の反応式 $Pb + Pb O_{2} + 2 H_{2} S O_{4} \to 2PbS O_{4} + 2 H_{2} O$ からア・イ・エ・カを除ける。b は、この反応で硫酸と水がそれぞれ増えるか減るかを考えよう。

答えと解説

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オ

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解説を読む

鉛蓄電池の放電時の反応は次のとおりである。

負極： $Pb + S O_{4}^{2 -} \to PbS O_{4} + 2 e^{-}$ （Pb の酸化数 $0 \to + 2$ 、酸化）
正極： $Pb O_{2} + 4 H^{+} + S O_{4}^{2 -} + 2 e^{-} \to PbS O_{4} + 2 H_{2} O$ （Pb の酸化数 $+ 4 \to + 2$ 、還元）

全体：
$Pb + Pb O_{2} + 2 H_{2} S O_{4} \to 2PbS O_{4} + 2 H_{2} O$

a について　負極の $Pb$ も正極の $Pb O_{2}$ も、放電によってどちらも $PbS O_{4}$ に変化し、それが電極の表面に付着する。したがって a は「正極と負極の両方」である。

b について　全体の反応式から、放電によって電解液中の硫酸 $H_{2} S O_{4}$ が消費され、水 $H_{2} O$ が生じる。硫酸は水より密度が大きいので、硫酸が減って水が増えると、電解液（希硫酸）の濃度が下がり密度は小さくなる。したがって b は「小さくなる」である。

よって正解はオである。

ほかの選択肢
- ア・エ： $PbS O_{4}$ は負極だけでなく、正極の $Pb O_{2}$ が還元されることでも生じる。（アは b も誤り）
- イ・カ： $PbS O_{4}$ は正極だけでなく、負極の $Pb$ が酸化されることでも生じる。（カは b も誤り）
- ウ：a は正しいが、放電では硫酸が消費され水が生じるので、密度は大きくならず小さくなる。

なお、充電すると逆向きの反応が起こり、両極の $PbS O_{4}$ がもとの $Pb$ ・ $Pb O_{2}$ に戻り、電解液の密度は大きくなる。

別解

放電時の反応は、負極: $Pb + S O_{4}^{2 -} \to PbS O_{4} + 2 e^{-}$ 、正極: $Pb O_{2} + 4 H^{+} + S O_{4}^{2 -} + 2 e^{-} \to PbS O_{4} + 2 H_{2} O$ 。よって正極・負極の両方の表面に水に溶けにくい $PbS O_{4}$ が生じる(a は「正極と負極の両方」)。また、全体で $Pb + Pb O_{2} + 2 H_{2} S O_{4} \to 2PbS O_{4} + 2 H_{2} O$ となり、硫酸が消費され水が生じるので、電解液の濃度が下がり密度は小さくなる(b は「小さくなる」)。
各選択肢: ア負極だけ・大きくなるは両方誤り。イ正極だけ・小さくなるは a が誤り。ウ両方・大きくなるは b が誤り。エ負極だけ・小さくなるは a が誤り。オ両方・小さくなるは正しい。カ正極だけ・大きくなるは両方誤り。答えはオ。

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	a	b
ア	鉛	大きくなる
イ	鉛	小さくなる
ウ	硫酸鉛(II)	大きくなる
エ	硫酸鉛(II)	小さくなる
オ	酸化鉛(IV)	大きくなる
カ	酸化鉛(IV)	小さくなる

	a	b
ア	酸化剤	$- 2$ から $0$ に
イ	酸化剤	$- 1$ から $- 2$ に
ウ	還元剤	$- 1$ から $0$ に
エ	還元剤	$- 2$ から $0$ に
オ	酸化剤	$- 1$ から $0$ に
カ	還元剤	$- 1$ から $- 2$ に

難易度 4（国公立二次の標準レベル）

鉄のさびを防ぐ方法について述べた次の文章中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜カのうちから 1 つ選べ。

鉄板の表面をスズでめっきしたものを a という。a は、表面のスズがさびにくいため、傷がなければ内部の鉄を保護する。しかし、表面に傷がついて鉄が露出し、水や酸素に触れると、イオン化傾向は b ので、鉄が先に酸化され、めっきをしていない鉄板よりもかえってさびやすくなることがある。

	a	b
ア	トタン	鉄のほうがスズより大きい
イ	トタン	スズのほうが鉄より大きい
ウ	ブリキ	スズのほうが鉄より大きい
エ	ブリキ	鉄のほうがスズより大きい
オ	ステンレス鋼	鉄のほうがスズより大きい
カ	ステンレス鋼	スズのほうが鉄より大きい

難易度 1（教科書の例題レベル）
硫化水素と二酸化硫黄は、次のように反応して硫黄の単体を生じる。
$2 H_{2} S + S O_{2} \to 3 S + 2 H_{2} O$
この反応について述べた次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜エから 1 つ選べ。
「 $S O_{2}$ 中の $S$ 原子の酸化数は（ a ）である。反応後、この $S$ 原子は単体の $S$ になるので、 $S O_{2}$ 中の $S$ 原子は（ b ）された。」
a b
ア $+ 2$ 酸化
イ $+ 2$ 還元
ウ $+ 4$ 還元
エ $+ 4$ 酸化
- ア
- イ
- ウ
- エ