イオンと電離・電解質

陽イオン・陰イオン・電離・電解質・非電解質の用語を答えられ、水溶液が電流を通すかどうかで電解質と非電解質を区別し、代表的な電離の式（ $NaCl \to N a^{+} + C l^{-}$ など）を選べる

前提

原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）

説明

食塩水は電流を通しますが、砂糖水は電流を通しません。このちがいは、水にとけた物質が電気を帯びた粒子（イオン）に分かれるかどうかで説明できます。この技能を身につけると、陽イオン・陰イオン・電離・電解質・非電解質の用語を答えられ、水溶液が電流を通すかどうかで物質を分類し、代表的な電離の式を正しく選べるようになります。

なぜそうしてよいのか

原子は、中心にある $+$ の電気をもつ原子核と、そのまわりにある $-$ の電気をもつ電子からできています。ふつうの原子では $+$ と $-$ の電気の量がつり合っていて、全体としては電気を帯びていません。ところが原子が電子を失うと $-$ が減るので全体として $+$ の電気を帯び、電子を受けとると $-$ の電気を帯びます。このように電気を帯びた粒子をイオンといい、 $+$ の電気を帯びたものを陽イオン（例: ナトリウムイオン $N a^{+}$ 、銅イオン $C u^{2 +}$ ）、 $-$ の電気を帯びたものを陰イオン（例: 塩化物イオン $C l^{-}$ 、水酸化物イオン $O H^{-}$ ）といいます。右上の数字と符号は、失った（受けとった）電子の数を表します。

塩化ナトリウム $NaCl$ を水にとかすと、 $N a^{+}$ と $C l^{-}$ にばらばらに分かれます。このように物質が水にとけて陽イオンと陰イオンに分かれることを電離といいます。水溶液に電圧をかけると、陽イオンは $-$ 極へ、陰イオンは $+$ 極へ動くので、電気が運ばれて電流が流れます。そのため、水にとかしたとき電離して水溶液が電流を通す物質を電解質といいます（塩化ナトリウム、塩化銅、塩化水素、水酸化ナトリウムなど）。一方、砂糖やエタノールは水にとけても分子のままでイオンに分かれないので、電気を運ぶ粒子がなく、水溶液は電流を通しません。このような物質を非電解質といいます。

電離の式は、左側に電離する前の物質の化学式、右側にできるイオンを書きます。物質全体は電気を帯びていないので、右側の $+$ の電気の合計と $-$ の電気の合計は必ず等しくなります。たとえば塩化銅は $CuC l_{2} \to C u^{2 +} + 2 C l^{-}$ で、 $+ 2$ と $- 1 \times 2 = - 2$ がつり合っています。

手順

物質が水にとけたときイオンに分かれるか（電離するか）を考える。代表例を覚えておく: 電解質は塩化ナトリウム・塩化銅・塩化水素・水酸化ナトリウムなど、非電解質は砂糖・エタノールなど
水溶液が電流を通すなら電解質、通さないなら非電解質と判定する（精製水はほとんど電流を通さない）
イオンの種類を判定する: $+$ の電気を帯びたもの（ $H^{+}$ 、 $N a^{+}$ 、 $C u^{2 +}$ など）は陽イオン、 $-$ の電気を帯びたもの（ $C l^{-}$ 、 $O H^{-}$ など）は陰イオン
電離の式を選ぶときは、左右で原子の種類と数が等しいこと、右側の $+$ と $-$ の電気の量の合計がつり合っていることを確かめる（例: $NaCl \to N a^{+} + C l^{-}$ 、 $HCl \to H^{+} + C l^{-}$ 、 $CuC l_{2} \to C u^{2 +} + 2 C l^{-}$ 、 $NaOH \to N a^{+} + O H^{-}$ ）

例題

次のア〜エの水溶液に、それぞれ電極を入れて電圧をかけた。電流が流れる水溶液として最も適当なものを、ア〜エから 1 つ選べ。

ア　砂糖水
イ　エタノール水溶液
ウ　塩化銅水溶液
エ　精製水（蒸留水）

例題の解答

手順 1: それぞれの物質が水にとけたとき電離するかを考える。
- ア: 砂糖は水にとけても分子のままで、イオンに分かれない。
- イ: エタノールも水にとけても分子のままで、イオンに分かれない。
- ウ: 塩化銅は水にとけると $CuC l_{2} \to C u^{2 +} + 2 C l^{-}$ のように銅イオンと塩化物イオンに電離する。
- エ: 精製水には物質がとけておらず、電気を運ぶイオンがほとんどない。

手順 2: イオンが電気を運ぶので電流が流れるのは、電解質がとけているウだけである。アとイは非電解質の水溶液、エはほとんど電流を通さない。

よって答えはウ。

答え:

ウ

よくある誤り

水にとける物質はすべて電流を通すとしてしまう誤り。正しくは、砂糖やエタノールのように水によくとけても電離しない物質（非電解質）があり、その水溶液は電流を通さない。
電子を失ったほうを陰イオンとしてしまう誤り。正しくは、 $-$ の電気をもつ電子を失うと全体が $+$ になるので陽イオン（例: $Na$ が電子を 1 個失って $N a^{+}$ ）、電子を受けとると陰イオン（例: $Cl$ が電子を 1 個受けとって $C l^{-}$ ）になる。
塩化銅の電離の式を $CuC l_{2} \to C u^{+} + C l_{2}^{-}$ や $CuC l_{2} \to C u^{2 +} + C l^{-}$ としてしまう誤り。正しくは $CuC l_{2} \to C u^{2 +} + 2 C l^{-}$ で、塩素はばらばらの $C l^{-}$ 2 個になり、 $+ 2$ と $- 2$ で電気の量がつり合う。
イオンの右上の数字を省いて $C u^{+}$ や $Cu$ と書いてしまう誤り。正しくは銅イオンは電子を 2 個失ってできるので $C u^{2 +}$ と書く。

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）
塩化銅 $CuC l_{2}$ を水にとかすと、水溶液中で次のように銅イオンと塩化物イオンに分かれる。
$CuC l_{2} \to C u^{2 +} + 2 C l^{-}$
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、次のア〜エから 1 つ選べ。
「塩化銅のように、物質が水にとけて陽イオンと陰イオンに分かれることを（ a ）という。上の式の銅イオン $C u^{2 +}$ は、銅原子が電子を 2 個（ b ）できたイオンである。」
a b
ア電気分解受けとって
イ電離受けとって
ウ電気分解失って
エ電離失って
- ア
- イ
- ウ
- エ

	a	b
ア	電気分解	受けとって
イ	電離	受けとって
ウ	電気分解	失って
エ	電離	失って

この技能を使う問題

難易度 3（公立高校入試の標準レベル）
うすい水酸化ナトリウム水溶液 $10 cm^{3}$ をビーカーにとり、BTB 溶液を数滴加えた。そこへ、こまごめピペットでうすい塩酸を少しずつ加えながら、ガラス棒でよくかき混ぜた。塩酸を $6 cm^{3}$ 加えたところで、水溶液の色は緑色になった。その後、さらに塩酸を加え、加えた塩酸の合計を $10 cm^{3}$ にした。
加えた塩酸の合計が $10 cm^{3}$ になったときのビーカー内の水溶液について述べた文として、あてはまるものを、次のア〜カからすべて選べ。
- ア　BTB 溶液の色は黄色である。
- イ　赤色リトマス紙をつけると、青色に変わる。
- ウ　フェノールフタレイン溶液を加えると、赤色になる。
- エ　マグネシウムリボンを入れると、水素が発生する。
- オ　水溶液中に、ナトリウムイオンは存在しない。
- カ　pH の値は 7 より小さい。

難易度 3（公立高校入試の標準レベル）

5 種類の液体 A〜E（砂糖水、食塩水、エタノール水溶液、うすい塩酸、精製水のいずれか）について、次の実験を行った。

実験　それぞれの液体をビーカーにとり、電源装置と豆電球をつないだ 2 本の炭素棒の電極を液体に入れて電圧を加え、豆電球が点灯するかどうかと、電極のようすを調べた。1 つの液体を調べるごとに、電極を精製水でよく洗った。

結果は次の表のようになった。

液体	液体の種類	豆電球	電極のようす
A	砂糖水	点灯しなかった	変化なし
B	食塩水	点灯した	気体が発生した
C	エタノール水溶液	点灯しなかった	変化なし
D	うすい塩酸	点灯した	気体が発生した
E	精製水	点灯しなかった	変化なし

この実験の結果からわかることについて述べた文として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。

ア　A と C で豆電球が点灯しなかったのは、砂糖やエタノールが水に溶けなかったからである。
イ　B と D で豆電球が点灯したことから、水に溶けて電流が流れる物質は、溶ける前はすべて固体であることがわかる。
ウ　B と D の溶質は、水に溶けると陽イオンと陰イオンに分かれるため、その水溶液に電流が流れる。
エ　A で豆電球が点灯しなかったのは、砂糖が水に溶けると陽イオンだけができ、陰イオンができないからである。

この技能の次に学べること

電気分解で生じる物質の量（中学理科化学変化とイオン）
酸・アルカリと中和・指示薬（中学理科化学分野の用語と知識）
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）
イオン結合と金属結合（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
化学式に含まれる原子・イオンの数（高校化学物質量と化学反応式）
酸化・還元の定義（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））