引越しでおトクなインターネット回線は?>>

負極の亜鉛と硫酸亜鉛溶液は、どちらも亜鉛です。
イオン化傾向は同じなのに、なぜ、亜鉛は、電子を残してイオンとなるのでしょう?

この電池の出発は、亜鉛のイオン化です。
最初に、電子を残してイオン化する理由を教えて下さい。

注意 知りたいのは、正極で電子をもらって硫酸銅が銅になっている瞬間の説明ではなく、なぜ最初に起こるかです。
よろしくお願いします。

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A 回答 (8件)

再々訂正です。


無理やりいろいろ理屈をつけようとしましたが、やはり皆さんが書かれているように各極のORPの差による電子の移動、 と考えるのがもっとも妥当な気がします。 平衡しているから電子が貯まる、たまらないということでなく、それぞれ平衡状態にある場合の各極の電子のポテンシャルで考えるべきではないでしょうか?

参考までに質問者さんのお考えお聞かせていないでしょうか?
ちなみに化学の教科書にはダニエル電池の負極の電解液は薄い硫酸亜鉛溶液にするとありますが、脱イオン水にした場合、どうなると思われますか?

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。
>参考までに質問者さんのお考えお聞かせていないでしょうか?
はい。分かりました。 この問題を、いろいろ調べましたが「これだ」というものがなく、自分で考えたものを述べます。

私の答えは、すごく単純で「食塩水に食塩を加えても、なぜ溶けるか」と同等です。 つまり溶解度によるものではないか、と考えました。
硫酸亜鉛に入れた亜鉛がイオン化を止める条件は次の2つ。
1.溶解度に達する。
2.亜鉛板中に電子が充満する。

負極には、多くの電子、正極には、わずかな電子。これを結線すれば、電位差から電界が生じて、電子が負極より移動する、と考えたのです。
ただし、あっているのか、間違っているか、は分かりません。
いずれにせよ、100%納得できるものがあれば、それを受け入れます。

みなさんのご意見を聞かせて下さい。

補足日時:2007/01/28 15:50
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#1=#2 です.


> #2さんは、「平衡」を答えとする、ですね。
これはおそらくあなたの納得する答ではないでしょうし,私もこのようにまとめられることは遺憾です.
しかし,私にはこのような議論を行うというあなたの方針が理解できないので,この質問からは降りることにします.したがって,#1,#2 の回答も忘れてください.
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#4です。

訂正します。
硫酸亜鉛が加水分解してフリー酸が・・と書きましたが、硫酸亜鉛を溶かせば弱酸性になるのは確かですが、これは本質的な問題ではなかったと思います。また完全に中和して・・・と書きましたがPH7になればZn+はほとんど沈殿してしまいますね

ところで、
硫酸浴に亜鉛を溶かしZn⇔Zn++ +2e- が完全に平衡した状態であれば、そこに負極として亜鉛を入れても電極にe-が蓄積することはないでしょう。
隔膜で隔てられた正極でもCu⇔Cu++ +2e-が成立していてますが、このとき硫酸亜鉛溶液中のSO4--活量と硫酸銅液中のそれとはどちらが大きいでしょうか?両極の硫酸イオン濃度にもよるでしょうが、開始段階では硫酸亜鉛濃度は希薄なので負極側の硫酸イオン活量のほうが小さい状態にあると考えてよいでしょう(Znのイオン化傾向から考えても)。
各極の硫酸イオン活量の差によって硫酸イオンが正極から負極へ移動し、それがきっかけとなり両極で電極/電解液の平衡がくずれ反応が進む・・・ということではないでしょうか?

なにぶん電気化学は素人なので細かいところで矛盾点があるのはご容赦を。
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#2 です.



質問者はゲームをしたいのでしょうか.
そうであるなら,私はそういうことに付き合う気はありませんので,
このスレッドからおりさせていただきます.

この回答への補足

お問い合わせありがとうございます。

さて、(私のとは限らず)質問に対して、いろいろな方から回答があります。その回答が正解の場合も、間違っている場合もあります。
それを取捨しなければなりません。

回答に対して、「○○の場合は?」「××の場合は?」と納得するまで問い合わせて、矛盾がないかを検証して、得たい回答かどうかを判断します。やり取りがありますから、そういう意味ではゲームとも、言えなくもありませんね。

さて、今回の問い合は、「私なりに考えた答え」がありますが、しかし、これがあってるとも間違ってるとも判断がつきません。
そこで、質問をし、「自分の回答」と異なっていても、100%納得できる回答があれば、問題解決とするつもりです。

もちろん、#2さんが、やり取りにおいて、自分でも疑問に思えるのであれば、他の回答を参考にする方に回るのも1つの選択だと思います。
#2さんは、「平衡」を答えとする、ですね。
ありがとうございました。

補足日時:2007/01/26 18:55
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質問者さんの質問の意図と違っていたら申し訳ありません。



硫酸亜鉛溶液中は加水分解(?)してわずかでもフリーの硫酸イオンは出来ないのでしょうか?
仮に完全に中和してフリーの硫酸イオンがなかったとしても、電極表面のZnO(水中ではZn(OH)2になるかも知れませんが)の溶解度は完全に0なのでしょうか?数ミリg/l程度は溶解度があったような気がします。
CuとZnが接続されていてZnが溶けさえすれば反応が進むきっかけになるのではないでしょうか?

質問に質問で答えてしまい申し訳ありません。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。
まずは、硫酸説を確認したいですね。
どなたか実際に実験されて、負極からボルタ電池同様水素が出ている(注意下をご覧下さい)のを見た方おられますか? ご一報ください。

さて、質問をかみ砕いた内容を以下に記します。内容は、#2さんへの返答です。したがって、読まれた方は読み飛ばしてください。
---ここから---
電子は、電界により移動します。電界は、電位差により生じます。
電位差を作る1つの方法は、片側に、相手側よりも多く電子を蓄えておくことです。
両端を結べば、電位差により電界ができ、電子は移動します。

ボルタ電池の場合、負極では、せっせと電子を蓄えます。その力は、亜鉛と硫酸とのイオン化傾向の差です。
イオン化傾向の差(の力)により亜鉛は、イオンとなり電子を残します。
負極に電子がぎっしりたまると、亜鉛のイオン化は行われなくなります。(イオンになろうとする力と、もう電子は受け取れない、という力が等しくなって)

ここで負極と正極を結線すると、電位差により電子が動き、正極から水素ガスがでます。
ちなみに、本や説明には載りませんが、ボルタの電池は、負極でも水素イオンが、電子をもらって水素ガスが発生します。
当然ですが、結線した場合の正極の方が多く出ます。(この後分極が起こります)

ここで、ダニエル電池に戻ります。
ダニエル電池の負極にも、電子がたくさんたまります。この状態で結線すれば、電界により電子は移動します。
ボルタの電池で、負極に電子がたくさんたまるのは、イオン化傾向の違いによるものです。
では、ダニエル電池の負極に、電子がたくさんたまる原因はなんでしょう?
これが質問のタイトルです。

>Zn <=> Zn2+ + 2e
の平衡反応が起こるから、とご回答にあります。
しかし、平衡とは、可逆の反応があり、その数が等しければ、結果的に変化がない、という状態です。
したがって、どんどん負極に電子がたまる説明とはならないのでは、と思います。

補足日時:2007/01/25 16:59
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ん~, 「亜鉛板の亜鉛」と「硫酸亜鉛中の亜鉛」のイオン化傾向って, 同じなの? 一方は Zn(0), もう一方は Zn(II) と酸化状態が違うんだから, 違っても不思議でもなんでもないと思うんだけど, というかそもそもこの状態でイオン化傾向を考えることに意味がないんだけど.


それはさておき, 亜鉛側では Zn^2+ + 2e^- = Zn - 0.763V (vs SHE) なので「他に電子をもらってくれる人がいればイオンとなって溶けていきたい」ということになります. で, 銅の方は Cu^2+ + 2e^- = Cu + 0.337V となっているので「電子をくれる人がいれば金属として析出したい」と思っているわけです. ここで銅板と亜鉛板を電線でつなぐと (電子に関する) 需要と供給が一致するためそれぞれの半反応が起きる (結果として電流が流れる) んです.
「電線でつなぐ」ことで平衡がくずれているってこと.

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。
こちらも、アキレスが1歩出たとしても、亀が・・・で、亀が前に出る余地はありそうですね。

回答の前段で、
>「亜鉛板の亜鉛」と「硫酸亜鉛中の亜鉛」のイオン化傾向って, 同じなの? 一方は Zn(0), もう一方は Zn(II) ・・・、とあります。

なるほど、亜鉛板の表面は、酸化亜鉛ということですね。
さて、酸素は電子を引きつける力がとても強い原子です。
ということは、亜鉛板(酸化亜鉛)を硫酸亜鉛に入れても、亜鉛はイオンにならないのでは?
そうすると、全てが成り立たなくなるか・・・。う~ん困ったぞ。

と亀をじたばたさせましたが、「あれ?オレ『のっそりおうさんくるぶしいたい』しか習ってないやん・・・」
とほほ・・・。次もまた亀が前に出られるネタを盛り込んでいただければ嬉しいです。

(この場をお借りして)#2さんへ。
今日(23日)明日は、わずかしか時間がなく、亀を前に出すための、長い苦策を書く暇がありません。少しお待ちください。

補足日時:2007/01/23 13:16
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> どっちも電極に電子をもち、電池にはなりませんね。



この前段階まではその通りです.
問題はそれぞれの電極の中の電子の持つエネルギーにあります.
端的に言えば,亜鉛の中の電子のエネルギーの方が高い.したがって,電子は銅の方に流れます.
この違いを数値化したものが酸化還元電位です.

この回答への補足

電子は、電界により移動します。
電界は、電位差により生じます。
電位差を作る1つの方法は、片側に、相手側よりも多く電子を蓄えておくことです。
両端を結べば、電位差により電界ができ、電子は移動します。

ボルタ電池の場合、負極では、せっせと電子を蓄えます。
その力は、亜鉛と硫酸とのイオン化傾向の差です。
イオン化傾向の差(の力)により亜鉛は、イオンとなり電子を残します。
負極に電子がぎっしりたまると、亜鉛のイオン化は行われなくなります。
(イオンになろうとする力と、もう電子は受け取れない、という力が等しくなって)

ここで負極と正極を結線すると、電位差により電子が動き、正極から水素ガスがでます。
ちなみに、本や説明には載りませんが、ボルタの電池は、負極でも水素イオンが、電子をもらって水素ガスが発生します。
当然ですが、結線した場合の正極の方が多く出ます。(この後分極が起こります)

ここで、ダニエル電池に戻ります。
ダニエル電池の負極にも、電子がたくさんたまります。
この状態で結線すれば、電界により電子は移動します。
ボルタの電池で、負極に電子がたくさんたまるのは、イオン化傾向の違いによるものです。
では、ダニエル電池の負極に、電子がたくさんたまる原因はなんでしょう?
これが質問のタイトルです。

>Zn <=> Zn2+ + 2e
の平衡反応が起こるから、とご回答にあります。
しかし、平衡とは、可逆の反応があり、その数が等しければ、結果的に変化がない、という状態です。
したがって、どんどん負極に電子がたまる説明とはならないのでは、と思います。

結線し、電位差から電子が移動した状態では、説明はすごく簡単です。
知りたいのは、電子が負極にどんどんたまる理由です。

補足日時:2007/01/25 16:05
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> なぜ最初に起こるか



まずここが間違っています.別にここから現象が始まるわけではありません.

そもそも,金属亜鉛を硫酸亜鉛溶液に浸すと,次の平衡反応が始まります.
Zn <=> Zn2+ + 2e
電池とかいう以前に,亜鉛の溶出と析出が同時に始まるのです.
この平衡反応は,電池のもう片方があるとかないとかは関係なく,単に硫酸亜鉛溶液に金属亜鉛を浸しただけでおこるところが重要です.
電池として使っているときには,この平衡が崩れ,ある方向の反応がもう片方に勝っている結果,ある反応がおこっているように見えるのです.

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。

おっしゃっている可逆反応は、硫酸亜鉛のことですね。
一定量の硫酸イオンがあり、それと亜鉛が触れたとき、亜鉛がイオンになって電子が残る、という説明ですね。

しかし、ここで、正極を見てみましょう。
まったくの初期段階において、負極に亜鉛と硫酸亜鉛しか存在していないの同じように、正極には、銅と硫酸銅しかありません。

当たり前ですが、硫酸銅でも可逆反応はあります。
つまり、正極でも負極と同じく、硫酸イオンと銅が触れあい、銅がイオンとなって電子が残る、ということになります。
あれ~? 平衡だけで考えたら、どっちも電極に電子をもち、電池にはなりませんね。

意地悪な質問をしております。亀をアキレスが追い越してください。

補足日時:2007/01/22 16:45
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一般にカルボニル基に隣接したヒドロキシル基は酸化されやすいという性質を持っています。
      H
     |
H-O-C-H
     |
   O=C
     |
      R
フルクトースの還元に関与する部分だけを取り出すとこのようになっています。
Oは非常に電気陰性度が大きいのでヒドロキシル基のOは隣にあるHやCから電子を引きつけています。
     H
     |
H→O←C-H
     |
   O=C
     |
      R
そこで電子不足気味のCは周囲のHや隣のCから電子を引きつけようとします。
       H
       ↓
H→O←+C←H
       ↑
    O=C
       |
       R
ところが隣のCはOと二重結合で手をつないでいるためさらに電子不足となっています。
     H
     ↓
H→O←+C←H
     ↑←ムリ
  -O←C+
      |
     R
そこでヒドロキシルノ結合したCは非常に電子不足となっています。
      H
      ↓
H→O←++C←H
      |
  -O←C
      |
      R
非常に電子不足となったCから電子を奪うのはOでも厳しいのでHからどんどん電子を引き寄せることになります。
      H
     ↓
H⇒O-++C←H
     |
  -O←C
    |
    R
こうしてヒドロキシル基のHは電気的に非常にプラスになっています。
      H
     ↓
+H⇒O-++C←H
     |
  -O←C
    |
    R
ところでHがふと横を見ると電気的に非常にマイナスになっているカルボニル基のOがあります。
      H
     ↓
+H⇒O-++C←H
     |
  -O←C
    |
    R
こうなったらもちろんHはそっちに飛んでいって結合します。
      H
     ↓
  -O-++C←H
     |
  H-O←C
    |
    R
このときヒドロキシル基のOは手が1本余るので、Cと2重結合を作ろうとします。
そこでCは自分に結合していたHの一方を下のCの方に吹っ飛ばしてOと2重結合を作ります。
      H
     ↓
  -O-++C- 
     | 
  H-O←C ←H+
    |
    R

こうして
    H
   |
  O=C
   | 
H-O-C-H
   |
   R
という風になってアルデヒド基ができるのです。

一般にカルボニル基に隣接したヒドロキシル基は酸化されやすいという性質を持っています。
      H
     |
H-O-C-H
     |
   O=C
     |
      R
フルクトースの還元に関与する部分だけを取り出すとこのようになっています。
Oは非常に電気陰性度が大きいのでヒドロキシル基のOは隣にあるHやCから電子を引きつけています。
     H
     |
H→O←C-H
     |
   O=C
     |
      R
そこで電子不足気味の...続きを読む

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よろしくお願いします。

Aベストアンサー

No.1です。
図を書くのは苦手なので、うまく伝わるかどうかわかりませんが・・・・
サリチル酸に関しては、同一分子内のOH基のHと、-COO^-(電離した形)のOが水素結合を形成することによって安定化されます。下図。

ーO
 ┃
 H
 : ←水素結合
 O^-
 ┃ 
ーC=O


アセチルサリチル酸の解離した形における共鳴形には、安息香酸では対応する形がないような共鳴形が存在します。
この時のベンゼン環と置換基の結合に関しては下に示しています。形式的にベンゼン環と置換基の結合は二重結合になっています。また、このとき、ベンゼン環自体はシクロヘキサジエン構造になっています。
大雑把な議論ではありますが、一般に共鳴形が数多く書けるほど安定ということになりますので、アセチルサリチル酸の解離した形の方が、対応する安息香酸のものよりも安定と言うことになり、その分だけアセチルサリチル酸の方が強い酸性を示します。

*アセトキシ基とベンゼン環の結合
=O^+ーC(=O)CH3  (Oに+の形式電荷)
*COO^-とベンゼン環の結合
=C(O^-)2

これでもまだ難しいでしょうか。確かに少々難しい話もあり、共鳴安定化、あるいは共鳴効果などがわかっていなければ、アセチルサリチル酸の話は理解できないと思います。
もしわからないようでしたら、教科書の共鳴に関連する部分を勉強してみて下さい。

No.1です。
図を書くのは苦手なので、うまく伝わるかどうかわかりませんが・・・・
サリチル酸に関しては、同一分子内のOH基のHと、-COO^-(電離した形)のOが水素結合を形成することによって安定化されます。下図。

ーO
 ┃
 H
 : ←水素結合
 O^-
 ┃ 
ーC=O


アセチルサリチル酸の解離した形における共鳴形には、安息香酸では対応する形がないような共鳴形が存在します。
この時のベンゼン環と置換基の結合に関しては下に示しています。形式的にベンゼン環と置換基の結合は二重結合...続きを読む

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貴方は、化学系の学生ですか。物理化学(量子化学、統計力学、熱力学)は、化学の基礎です。化学系の学生であれば、参考URLを示しますが、図書館などで調べてください。

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 私自身あまり電池のことに詳しくないのですが、わたしは、イオン化傾向の違いにより電圧が発生すると思っていました。塩酸水溶液の中には、水素イオンが入っています。亜鉛は、水素よりイオン化傾向が大きいので、亜鉛イオンとなって水溶液中に溶け出します。一方、銅は水素よりイオン化傾向が小さいので、イオンになることは無く、亜鉛版のほうから流れてきた電子を水溶液中の水素イオンに与えるので、起電力が生じ電流が流れる。その結果、銅版には、水素分子のあわ粒が付着する。と。理解していました。
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ある高校の入試問題で、『銅板と亜鉛板をうすい塩酸の中に入れて、図のような装置(図省略)を作ったところ、発光ダイオードが点灯した。次の各問に答えよ。~~問3.うすい塩酸のかわりに入れても電流が流れるものを、次のア~エからひとつ選び、記号で答えよ。 ア蒸留水 イ砂糖水 ウ食塩水 エ エタノール』というものがありました。正解は。『ウ 食塩水』です。
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ボルタ電池の問題は,ここでも何度も何度も繰り返しあがっています.
ボルタ電池をまともに考えることは,中学高校の理科では不可能です.ボルタ電池のバリエーションを出題すること自体,出題者の見識を疑います.この問題については,ボルタ電池の問題点を理解していない出題者が,うわっぺらの知識で作った問題に見えます.

ボルタ電池では水素イオンとのイオン化傾向が問題になるのではないので,塩酸であるかどうかは本質的な問題ではありません.亜鉛の溶解 (酸化) とペアになるのは,銅板表面の酸化銅の還元か,溶存している酸素の還元です.つまり,イオン化傾向では比べるものがないのです.水素イオン濃度が高ければ水素イオンの還元がおこることもあるでしょうが,別に水素イオンがなくてもかまわないのです.実際には,状況に応じてこれらの混合でおこっているのでしょうね.
イオン化傾向は,より一般的な「酸化還元電位」というものから,ある場合だけを取り出してきて,序列だけをつけたものです.そして,イオン化傾向では議論できない反応と組み合わさって電池になるので,まっとうな議論は大変複雑になります.
この問題は,単に「塩酸でも塩水でも発電する」という知識を問う以外のものではありません.なぜそうなるかを考えてはいけないのです.考えても,高校までの理科では説明のしようもないからです.まして高校入試では話になりません.

ボルタ電池の問題は,ここでも何度も何度も繰り返しあがっています.
ボルタ電池をまともに考えることは,中学高校の理科では不可能です.ボルタ電池のバリエーションを出題すること自体,出題者の見識を疑います.この問題については,ボルタ電池の問題点を理解していない出題者が,うわっぺらの知識で作った問題に見えます.

ボルタ電池では水素イオンとのイオン化傾向が問題になるのではないので,塩酸であるかどうかは本質的な問題ではありません.亜鉛の溶解 (酸化) とペアになるのは,銅板表面の酸化銅...続きを読む

Q媒介変数表示での二階微分に関して

媒介変数表示の二階微分を計算していたときに疑問がでたので質問します。
x,yがともにtの関数とします。
このときなぜyのxでの二階微分を、次のように計算してはならないのか教えてください。

d^2 y /dt^2
----------
d^2 x /dt^2

Aベストアンサー

まず1回微分は
dy/dx=

dy/dt
------
dx/dt です

それをxで微分すると、
d^2y/dx^2=

d (dy/dt )
--- (------)
dx (dx/dt )  になります。 


d^2 y /dt^2
----------
d^2 x /dt^2    とは似ても似つかないですね。

まずd^2/dt^2 という表現は略記にすぎないので、順を追って意味で考えましょう。

Q電気分解、陽極がCuやAgの場合は陽極が溶解

数研出版の化学重要問題集145番に次のことがかいてありました。

硝酸銀水溶液で、陽極の電極には銀を、陰極の電極には白金を用います。

陰極では、イオン化傾向がH2>Agなので、H+またはH2Oは還元されず、Agが析出する。

Ag+ + e- → Ag

陽極では、電極がCuやAgなどの場合、電極の金属が解ける。

Ag → Ag+ + e-

ここで疑問なのですが、陽極では、

イオン化傾向がH2>Cu>Agなので、AgよりH+またはH2Oが陽イオンになりやすく、

ここでは、2H2O → O2 + 4H+ + 4e-

となると思うのですが。

陽極がCuやAgの場合、(水の分解でなく)陽極の溶解がおこる理由をどうか教えていただけないでしょうか。

Aベストアンサー

ます、電気分解で気体が発生するためには、酸化還元電位だけではなく、
過電圧も必要なので、単純にイオン化傾向だけでは比較できません。

わかりやすい考え方を書いておきます。
(1)MgやZnは塩酸に溶けます。
これら金属のイオン化傾向がHよりかなり大きいからです。
(2)CuやAgは塩酸には溶けませんが、硝酸には溶けます。
これは硝酸によって酸化されるからです。
しかし、硝酸もPtやAuは溶かせません。

酸化されるとは電子を奪われることです。
電気分解の陽極とは電子を奪われる場所です。
ですから、CuとAgは溶けてPtやAuは溶けません。

Qアセチルサリチル酸の合成について

サリチル酸と無水酢酸でアセチリルサリチル酸を作る時に、用いる濃硫酸は脱水のためですか?でも水が生成されてないのでわかりません。

Aベストアンサー

 酸触媒のH+が無水酢酸のC=OのOに付き、Oに正電荷を生じさせることでサリチル酸と無水酢酸のエステル化反応(Fischerエステル化の一種)を開始させます。
 Fischerエステル化という有機化学の中で有名な反応なので、大抵の有機化学の教科書(大学生用)に載っていると思うので、詳しくは書店などで本を見つけて読んでみてください。

 濃硫酸以外でもできると思いますが、例えば塩酸は「水溶液」であるから平衡が不利だし、硝酸は有機物をニトロ化してしまい爆発物ができる危険性があるので濃硫酸を用いるのが妥当とされるのではないでしょうか。


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