金属のさびとめっき

金属のさびが酸化であることと、トタン（Zn めっき）・ブリキ（Sn めっき）で傷がついたときにどちらの金属が先に酸化されるかをイオン化傾向から判定でき、さびを防ぐ方法（めっき・塗装・犠牲金属）の記述の正誤を判断できる

前提

金属のイオン化傾向と水・酸との反応（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

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金属のイオン化傾向と水・酸との反応（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

説明

鉄などの金属が空気中の酸素や水と反応して、酸化物や水酸化物などに変わってしまう現象をさびという。さびは金属が電子を失う酸化である。この技能では、さびを防ぐために鉄の表面を別の金属でおおうめっき（トタン・ブリキ）について、傷がついて鉄が露出したときにどちらの金属が先に酸化されるかをイオン化傾向から判定できるようになる。さらに、めっき・塗装・犠牲金属といったさびを防ぐ方法についての記述の正誤を判断できるようになる。

なぜそうしてよいのか

鉄がさびるとき、鉄は $Fe \to F e^{2 +} + 2 e^{-}$ のように電子を失って酸化され、その電子を空気中の酸素が水とともに受け取って還元される。最終的には赤さび（主成分は酸化鉄(III) を含む物質）などになる。つまり、さびを防ぐには、鉄が酸素や水にふれないようにするか、鉄が電子を失わないようにすればよい。

塗装やめっきは、鉄の表面をおおって酸素や水との接触を断つ方法である。ところが、めっきに傷がついて鉄が露出し、そこに水がつくと、2 種類の金属が水を通してつながった状態になる。これは電池と同じしくみで、イオン化傾向の大きい金属のほうが電子を出して（負極のように）先に酸化され、もう一方は電子を受け取る側にまわるので酸化されにくくなる。

トタンは鉄を亜鉛 Zn でめっきしたものである。Zn は Fe よりイオン化傾向が大きいので、傷がついても Zn が先に酸化され、Fe は守られる。ブリキは鉄をスズ Sn でめっきしたものである。Sn は Fe よりイオン化傾向が小さいので、傷がつくと露出した Fe のほうが先に酸化され、めっきがない場合よりもかえってさびやすくなる（ただし傷がなければ、Sn は Fe より酸化されにくいので表面がよく保たれる）。同じ考え方で、鉄よりイオン化傾向の大きい亜鉛やマグネシウムの塊を鉄の構造物（船体や水道管など）に取りつけておき、それが代わりに酸化されて鉄を守るようにしたものを犠牲金属という。

手順

さびは金属が電子を失う酸化だと確かめる（例： $Fe \to F e^{2 +} + 2 e^{-}$ 、電子は酸素が受け取る）。
めっきに傷がついた場合は、めっきの金属と鉄をイオン化列（Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H $_{2}$ ) Cu Hg Ag Pt Au）で比べ、イオン化傾向の大きい方が先に酸化されると判定する。
トタン（Zn めっき）：Zn > Fe なので傷がついても Zn が先に酸化され、鉄はさびにくい。ブリキ（Sn めっき）：Fe > Sn なので傷がつくと鉄が先に酸化され、鉄のさびが進みやすい。
さびを防ぐ方法の記述を判定する。塗装・めっきは酸素や水との接触を断つ方法、犠牲金属は鉄よりイオン化傾向の大きい金属（Zn、Mg など）を接触させ、それが代わりに酸化されることで鉄を守る方法である。

例題

鉄板の表面を亜鉛でめっきしたもの（トタン）と、スズでめっきしたもの（ブリキ）がある。それぞれのめっきに鉄まで達する傷がつき、そこに水がついたときのようすについて述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　トタンでもブリキでも、めっきの金属が先に酸化される。
イ　トタンでは亜鉛が先に酸化され、ブリキでは鉄が先に酸化される。
ウ　トタンでは鉄が先に酸化され、ブリキではスズが先に酸化される。
エ　トタンでもブリキでも、鉄が先に酸化される。

例題の解答

手順 1：さびは酸化で、先に酸化される金属が電子を出す。

手順 2：イオン化列で比べると、Zn > Fe > Sn の順にイオン化傾向が大きい。

手順 3：トタンでは Zn のほうが Fe よりイオン化傾向が大きいので、亜鉛が先に酸化され（ $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ ）、鉄は守られる。ブリキでは Fe のほうが Sn よりイオン化傾向が大きいので、露出した鉄が先に酸化される（ $Fe \to F e^{2 +} + 2 e^{-}$ ）。

よって答えはイである。

答え:

イ

よくある誤り

めっきの金属は傷がついても必ず鉄を守る、としてしまう誤り。正しくは、守れるのは鉄よりイオン化傾向の大きい金属（トタンの Zn）の場合だけで、ブリキでは Fe > Sn なので傷の部分で $Fe \to F e^{2 +} + 2 e^{-}$ が進み、めっきがないときよりさびやすくなる。
ブリキのスズはイオン化傾向が小さいのでめっきとして役に立たない、としてしまう誤り。正しくは、傷がなければ Sn は Fe より酸化されにくいので表面をよく保ち、鉄を酸素や水から遮断できる。問題になるのは傷がついて鉄が露出したときである。
犠牲金属には鉄よりさびにくい（イオン化傾向の小さい）金属、たとえば銅を使う、としてしまう誤り。正しくは、犠牲金属には鉄よりイオン化傾向の大きい Zn や Mg を使い、 $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ のようにそれ自身が代わりに酸化されることで鉄を守る。銅を接触させると、かえって鉄が先に酸化される。
さびは金属が還元される変化だ、としてしまう誤り。正しくは、さびは金属が酸素と結びつき電子を失う酸化であり、たとえば鉄では Fe の酸化数が 0 から増加する。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
金属のさびと、さびを防ぐ方法について述べた文として正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。
- ア　鉄が空気中でさびる変化では、鉄は酸化されている。
- イ　トタンは、鉄の表面をスズでめっきしたものである。
- ウ　トタンの表面に傷がついて内部の鉄が露出しても、鉄より先に亜鉛が酸化されるので、鉄はさびにくい。
- エ　ブリキの表面に傷がついて内部の鉄が露出すると、鉄より先にスズが酸化されるので、鉄はさびにくい。
- オ　鉄の表面を塗装すると、鉄が空気中の酸素や水にふれにくくなるので、さびを防ぐことができる。

この技能を使う問題

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