金属のイオン化傾向と水・酸との反応

イオン化列（Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H $_{2}$ ) Cu Hg Ag Pt Au）を使って、金属が常温の水・熱水・高温の水蒸気・希酸と反応して水素を発生するかを判定でき、金属と金属イオンの水溶液での置換反応の起こる・起こらないを判定できる

前提

酸化・還元の定義（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
化学電池と金属のイオンへのなりやすさ（中学理科化学分野の用語と知識）

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説明

金属が水溶液中で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、大きい順に並べたものを「イオン化列」という。イオン化列 Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H $_{2}$ ) Cu Hg Ag Pt Au を覚えておくと、ある金属が水（常温の水・熱水・高温の水蒸気）や希酸と反応して水素を発生するかどうか、また金属を別の金属イオンの水溶液に入れたときに金属が析出するかどうかを、実験しなくても判定できる。

なぜそうしてよいのか

金属が水や酸と反応して水素を出す反応は、金属が電子を失って陽イオンになり（酸化）、その電子を水素イオン H $^{+}$ （水の場合は水分子）が受け取って H $_{2}$ になる（還元）反応である。たとえば $Zn + 2 H^{+} \to Z n^{2 +} + H_{2}$ では、Zn から H $^{+}$ へ電子が移る。電子が移るのは、Zn のほうが水素よりも陽イオンになりやすいからである。そこでイオン化列に水素を並べて書くと、H $_{2}$ より左（イオン化傾向が大きい）の金属は H $^{+}$ に電子を渡せるので希酸から水素を発生し、右の金属（Cu, Hg, Ag, Pt, Au）は渡せないので希塩酸や希硫酸とは反応しない。

水は H $^{+}$ がごくわずかしかないので、水と反応するには酸よりずっと強く電子を手放す金属が必要になる。そのため、イオン化傾向の特に大きい Li, K, Ca, Na は常温の水と激しく反応し、Mg は熱水と、Al, Zn, Fe は高温の水蒸気となら反応する（温度を上げると反応しやすくなる）。Ni より右の金属は水とは反応しない。

金属と金属イオンの置換反応も同じ考え方で決まる。イオン化傾向の大きい金属 A を、イオン化傾向の小さい金属 B のイオンを含む水溶液に入れると、A が電子を失って A のイオンになり、その電子を B のイオンが受け取って B が析出する。逆の組み合わせでは、陽イオンになりにくい金属がなりやすい金属のイオンに電子を渡すことになるので、反応は起こらない。

手順

イオン化列 Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H $_{2}$ ) Cu Hg Ag Pt Au を書き出し、問題の金属の位置を確かめる。
水との反応なら、位置で場合分けする。Li, K, Ca, Na は常温の水と反応、Mg は熱水と反応、Al, Zn, Fe は高温の水蒸気と反応、Ni より右は水と反応しない。いずれも発生する気体は H $_{2}$ （例: $2Na + 2 H_{2} O \to 2NaOH + H_{2}$ ）。
希酸（希塩酸・希硫酸）との反応なら、H $_{2}$ より左の金属は反応して水素を発生し、右の金属（Cu, Hg, Ag, Pt, Au）は反応しないと判定する（例: $Zn + 2HCl \to ZnC l_{2} + H_{2}$ ）。ただし Pb は表面に水に溶けにくい PbCl $_{2}$ や PbSO $_{4}$ ができるため、希塩酸・希硫酸とはほとんど反応しない。
置換反応なら、入れる金属と、水溶液中の金属イオンのもとの金属を比べる。入れる金属のほうがイオン化列で左にあれば反応し、イオンのもとの金属が析出する。右にあれば反応しない（例: $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$ は起こるが、Cu を Zn $^{2 +}$ の水溶液に入れても変化しない）。

例題

次の操作ア〜エのうち、水素が発生するものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　銅を希塩酸に入れる。
イ　亜鉛を希塩酸に入れる。
ウ　銀を熱水に入れる。
エ　金を希硫酸に入れる。

例題の解答

手順 1：イオン化列 Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H $_{2}$ ) Cu Hg Ag Pt Au で位置を確かめると、Zn は H $_{2}$ より左、Cu, Ag, Au は H $_{2}$ より右にある。

手順 3（希酸）：ア銅は H $_{2}$ より右なので希塩酸と反応しない。イ亜鉛は H $_{2}$ より左なので希塩酸と反応し、 $Zn + 2HCl \to ZnC l_{2} + H_{2}$ により水素が発生する。エ金は H $_{2}$ より右なので希硫酸と反応しない。

手順 2（水）：ウ銀は Ni より右にあるので、熱水とも反応しない。

よって水素が発生するのはイである。

答え:

イ

よくある誤り

イオン化列で H $_{2}$ より左にある金属はすべて常温の水と反応する、としてしまう誤り。正しくは、常温の水と反応するのは Li, K, Ca, Na だけで、Mg は熱水、Al, Zn, Fe は高温の水蒸気となら反応し、Ni, Sn, Pb は水とは反応しない（例: Zn は常温の水には入れても変化しない）。
銅を希塩酸や希硫酸に入れると水素が発生する、としてしまう誤り。正しくは、Cu は H $_{2}$ より右にあるので H $^{+}$ に電子を渡せず、 $Cu + 2HCl \to CuC l_{2} + H_{2}$ のような反応は起こらない。Cu, Hg, Ag は硝酸や熱濃硫酸には溶けるが、そのとき出る気体は水素ではない（NO, NO $_{2}$ , SO $_{2}$ など）。
置換反応の向きを逆にしてしまう誤り（例: 銅を硫酸亜鉛水溶液に入れると亜鉛が析出する）。正しくは、入れる金属のほうがイオン化傾向が大きいときだけ反応が起こり、 $Zn + CuS O_{4} \to ZnS O_{4} + Cu$ は起こるが、Cu を ZnSO $_{4}$ 水溶液に入れても変化しない。
鉛は H $_{2}$ より左にあるので希塩酸・希硫酸と盛んに反応して水素を出す、としてしまう誤り。正しくは、鉛の表面に水に溶けにくい PbCl $_{2}$ や PbSO $_{4}$ ができて内部を覆うため、反応はほとんど進まない。

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）
金属のイオン化列は次のとおりである。
$Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H_{2}) Cu Hg Ag Pt Au$
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。
「亜鉛板と銅板をそれぞれ常温の希塩酸に入れると、水素を発生して溶けるのは（ a ）である。また、銅板を硝酸銀水溶液に入れると、（ b ）。」
a b
ア銅板銅板の表面に銀が析出する
イ亜鉛板何も変化が起こらない
ウ銅板何も変化が起こらない
エ亜鉛板銅板の表面に銀が析出する
- ア
- イ
- ウ
- エ

	a	b
ア	銅板	銅板の表面に銀が析出する
イ	亜鉛板	何も変化が起こらない
ウ	銅板	何も変化が起こらない
エ	亜鉛板	銅板の表面に銀が析出する

この技能を使う問題

	a	b
ア	水素	酸素
イ	水素	水素
ウ	二酸化硫黄	水素
エ	二酸化硫黄	酸素
オ	二酸化窒素	水素

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