痔になりやすい生活習慣とは?

高校化学なのですが、硫酸鉄((3))水溶液に銀片を入れておいたら銀片の重さが半分になった、このことから鉄と銀のイオン化傾向についてどのようなことがいえるか?…という問題がありました。本来イオン化傾向は鉄>銀ですが、銀が溶けたということは、この問題の場合イオン化傾向は鉄<銀ということになるのでしょうか??

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A 回答 (8件)

>No.7さん



ご指摘、おっしゃる通りなんですけどね。なんとか説明するための苦肉の策とでも捕らえていただければ幸いです。

私の思いは、イオン化傾向序列だけを覚えてしまう危険性に気がついて、是正して欲しい・・・ってことです。

ま、この議論はこのくらいにしましょう。
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いちいちつっこむのも大人気ない気もしますけど,一応...



>反応の最終時点では、銀が半分溶解しているわけですから、(1.08/2)/108/0.01=0.5M、[Ag+]=0.5Mの銀イオンが溶出しました。

これはだめでしょう.終了時点での銀イオン濃度については,結局何もいえません.金属銀の活量を1として扱うのは,活量自体がいくつかはわからないけど,どうせ定数だし,この場合では E0 の中に含めてしまってかまわないからにすぎませんので.1 という数字に物理的意味はないってことです.

おわかりでしょうけど,もともと問題が問題として成立していないのですよ.おそらくもともとの出題者は酸化還元電位もイオン化傾向もその本質をきちんと理解していないのでしょう.
こういうことをいうと非難を浴びそうですが,高校の理科の先生でここらをちゃんとわかっている人は,ごくごく少数というか,いるのかいな,というくらいに稀だと思いますよ...
まあ,大学レベルの電気化学をきちんと理解している学生が,理学部化学科にさえ何割いるんだかあやしいという現実を考えれば当然の帰結ですけど...
もっともこれは電気化学に限った話ではなくて,イオン平衡とかでもお寒い限りなんですけどね...
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回答が遅くなってしまいました。



この問題を酸化還元電位という視点から考察するとには、ネルンストの式(Nernst)E=E0+RT/nF*ln[M n+]を用いて、(ここで、R=気体定数、T=絶対温度(298.15とします)、F=ファラデー定数、n=反応電子数)二つの酸化還元反応、ここでは、

Fe3+/Fe2+の、(Fe3+ + e ⇔ Fe2+)とAg+Agのは、(Ag+ + e ⇔ Ag)・・・(0)

の酸化還元電位を計算し、比較することで、どちらの反応が起こりやすいかを考えることになります。

Fe3+/Fe2+;E(Fe)=E0+0.059*ln([Fe3+]/[Fe2+])・・・ここでE0=0.77・・・(1)
Ag+/Ag; E(Ag)=E0+0.059*ln([Ag+]/[Ag])・・・ここで、E0=0.8,[Ag]=1・・・(2)

[Fe3+]とはFe3+の濃度だと思ってください。[Ag]は金属なので、1とします(そういうものとしてください)。

この問題の初期状態では、[Fe3+]=0.5M,[Fe2+]=0ですが、分母を0に出来ないので、便宜上[Fe2+]=10^-10と低濃度と仮定。
[Ag+]も=0と出来ないので、初期状態として[Ag+]=10^-10と置きます。

(1)と(2)式を計算し、E(Fe)とE(Ag)の大小を比較します。より数値の大きい方が、(0)式の化学反応が右に進みやすいと思ってください。

初期状態の(1)式、E(Fe)=2.08
〃(2)式、E(Ag)=-0.56

E(Fe)>>E(Ag)となり、圧倒的に(1)式の数値が大きく、Fe3+ + e ⇔ Fe2+が右に進み、Ag+ + e ⇔ Agが左に進む、つまり、銀が溶解します。

反応の最終時点では、銀が半分溶解しているわけですから、(1.08/2)/108/0.01=0.5M、[Ag+]=0.5Mの銀イオンが溶出しました。
Fe3+は元々Fe2(SO4)3として0.5Mですから、[Fe3+]=0.5*2=1.0Mあった。
この問題の全反応式は、Fe3+ + Ag ⇒ Fe2+ + Ag+ で表され、[Ag+]=0.5M溶解したと言うことは、Fe3+も0.5M消費され、1-0.5=0.5Mの残り。Fe2+は0.5M生成されたことになる。
つまり、(1)式の、ln([Fe3+]/[Fe2+])=0となります。

反応最終時点での(1)式、E(Fe)=0.77
〃(2)式、E(Ag)=0.78

この時点で、E(Fe)<E(Ag)となり、Fe3+ + e ⇔ Fe2+が左に進み、Ag+ + e ⇔ Agが右に進む、方向に切替る。いわゆる平衡状態になって、見かけ上は銀の溶解が止まったという状態になります。

ややこしくなるので、あえて単位は書きませんでしたが、こういう考え方で整理できる。ということだけわかってもらえれば、式の意味や細かい内容については、今は理解できなくてもいいと思います。これに興味を持って、化学専攻の大学にでも進学してくださいね。
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この問題を正確に解くには、高校化学の域を越えてしまうと思うのですが、ポイントは、「鉄が、硫酸鉄(III)」というところにあります。


正式には、硫酸第二鉄[Fe2(SO4)3]ですね。
つまり、この水溶液中に存在する鉄イオンはFe3+です。Fe2+ではありません。

高校化学で学習する、「イオン化傾向」における鉄と銀の相対関係は、Fe2+/Feのイオン化系であり、金属鉄が2価の鉄イオンとして溶解する際の、「ある計算数値」を比較したものになっています。
ですから、この問題の場合、「高校化学で習うイオン化傾向」では考えられない(答えられない)事象ということになります。


高校化学レベルの言葉で簡単に説明すると、
「イオン化傾向では、Fe2+/FeとAg+/Agを比較した際、よりイオン化しやすい(金属が溶解しやすい)のはFeであるが、問題の系ではFe2+は存在せず、Fe3+しか存在しない。Fe3+はFe2+から更に酸化された状態にあり、金属Agを酸化溶解させるだけの酸化剤として、働く効果があるものと考えられる。Fe3+自身は還元されてFe2+となり、Fe3+がある程度濃度が下がり、Ag+濃度が上昇し、金属Agが半分ほど溶解したところで反応が停止した(平衡状態になった)ものと思われる。」というところでしょうか。

・・・余談ですが・・・

私は大学で電気化学を学び、高校時代の「イオン化傾向」を覚える危険性を感じました。イオン化傾向とは、ある金属がイオン化して溶解するときの酸化還元電位を「ある決められた条件」の下でその数値を比較した並びであり、その「ある条件」には水溶液中の金属イオン、pH、温度などが含まれています。逆にいうと、その条件が変化すれば、この酸化還元電位という数値は変化してしまい、場合によっては、「イオン化傾向として覚えたはずの順番が入れ替わる」ということも十分に起こりえるのです。

とはいっても、高校化学で酸化還元電位・・・云々ということを勉強するのか?という議論はありますが・・・

で、この問題の現象は、酸化還元電位で議論すればある程度説明できますが、書きますか???
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この回答へのお礼

ありがとうございます!!イオン化傾向の順番が変わるということがあるんですね~分かりやすく説明していただいて何だかすっきりしました!標準電極電位っていうのなら耳にしたことあります。この問題についてもぜひぜひ説明お願いします!!!

お礼日時:2004/09/01 18:15

補足に対する回答です.


先生に聞きに行った方がいいと思います.
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また質問削除されそうだなあ.



イオン化傾向ってのは金属がイオンになる傾向.
硫酸鉄(III) ((3)じゃないよ) による銀の酸化溶解は,Fe3+ + e = Fe2+ と Ag = Ag+ + e なんで,鉄のイオン化傾向 Fe = Fe2+ + 2e についていえることは「なにもありません」.

つまり,問題がめちゃくちゃ.
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単に、問題文の誤植ではないでしょうか?



鉄よりも銀のほうがイオン化傾向が大きいというのは、真実に反します。
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「イオン化傾向」とは,本当に簡単に言えば,「イオンになりたがり度」のことです.


たしかにイオン化傾向は鉄>銀ですね.
>銀が溶けたということ
↑このように書いているのですが,これでは銀>鉄になってしまいますね.
問題ミス,解答ミス,書き込みミス等はないでしょうか?
補足をお願いします.

この回答への補足

それがミス等ではなくて、ちゃんと定期試験に出た問題なんです。問題文をそのまま写すと「0.5M硫酸鉄((3))aq10mlに1.08gの銀片を入れておいたら、銀片の重さが半分になっていた。このことから鉄と銀のイオン化傾向についてどのようなことがいえるか」となっています;;

補足日時:2004/08/31 23:13
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Aベストアンサー

イオン化エネルギー(単位はkJ/mol)

H  1312

Na 495  4562  6911
Mg 737  1476  7732

K  419  3051  4410
Ca 589  1145  4910

He  2373  5259
Ne  2080  3952
Ar  1520  2665 

1.不活性元素(希ガス)の電子配置から先に行くのは難しいのが分かります。
  Na^2+は存在しないだろうというのはエネルギー的な判断として可能です。

2.Ca^2+を実現するために必要なエネルギーはNa^+を実現するために必要なエネルギーよりも2倍以上大きいです。でもCa^2+は安定に存在します。これはイオン化エネルギーの大きさだけでは判断できない事です。
CaOとNaClは結晶構造が同じです。融点を比べると結合の強さの違いが分かります。
NaCl 801℃   CaO  2572℃

CaOの方が格段に結合が強いことが分かります。
結合が強いというのを安定な構造ができていると考えてもいいはずです。
NaClは(+)、(-)の間の引力です。CaOは(2+)、(2-)の間の引力です。これで4倍の違いが出てきます。イオン間距離も問題になります。Ca^+には最外殻のs軌道に電子が1つ残っていますからCa^2+よりも大きいです。荷電数が大きくてサイズの小さいイオンができる方が静電エネルギーでの安定化には有利なのです。
Fe(OH)2よりもFe(OH)3の方が溶解度が格段に小さいというのも2+、3+という電荷の大きさの違いが効いてきています。サイズも小さくなっています。

イオンは単独では存在しません。必ず対のイオンと共に存在しています。
水和されていると書いておられる回答もありますが対のイオンの存在によって安定化されるというのが先です。
水溶液の中であっても正イオンだけとか負イオンだけとかでは存在できません。水和された正イオンと水和された陰イオンとが同数あります。水和された負イオンの周りは水和された正イオンが取り囲んでいます。液体の中にありますからかなり乱れた構造になっていますが正負のイオンが同数あって互いに反対符号のイオンの周りに分布しているという特徴は維持されています。

3.d軌道に電子が不完全に入っている元素を遷移元素と呼んでいます。
  「遷移」というのは性質がダラダラと変わるということから来た言葉です。普通は族番号が変われば性質が大きく変わります。周期表で横にある元素とは性質が異なるが縦に並んでいる元素とは性質が似ているというのが元素を「周期表の形にまとめてみよう」という考えの出発点でした。だから3属から11族を1つにまとめて考えるという事も出てくるのです。
 性質が似ているというのは電子の配置に理由があるはずです。電子は最外殻のsに先に入って後からdに入ります。エネルギーの逆転が起こっていますが違いは小さいものです。まず外の枠組み(s軌道)が決まっている、違いは内部(d軌道)の電子の入り方だけだというところからダラダラ性質が変わるというのが出てきます。M^2+のイオンがすべて存在するというのもここから出てきます。11族の元素に1+が出てくるのは内部のd軌道を満杯にしてs軌道電子が1つになるというからのことでしょう。これは#7に書かれています。でもそれがなぜ言えるのかはさらに別の理由が必要でしょう。
 s軌道の電子が飛び出してイオンができたとすると残るのはd軌道の電子です。イオンのサイズがあまり変わらないというのはここから出てきます。
 イオンの価数の種類が1つではないというのも遷移元素の特徴です。エネルギーにあまり大きな違いのないところでの電子の出入りだという捉え方でもかまわないと思います。イオン単独で考えているのではなくてイオンが置かれている環境の中で考えています。イオン化エネルギーの大小だけではありません。
 色が付いている化合物が多いというのもエネルギー的にあまり大きな違いのない電子配置がいくつか存在する、そのエネルギー状態は周囲の環境によって割合と簡単に変化するという事を表しています。普通なら電子遷移は紫外線の領域です。可視光の領域に吸収が出るのですから差の小さいエネルギー準位があるという事です。この色が周りに何があるかによって変化するというのも、変動しやすいエネルギー順位があるという証拠になるのではないでしょうか。酸化銅、硫酸銅、塩化銅、硝酸銅、結晶の色は異なります。水和された銅イオン、アンモニアが配意した銅イオンもはっきりとした色の違いがあります。

4.今考えているイオンの電荷は実電荷です。酸化数は実電荷に対応しているとは限りません。
 単原子イオンの酸化数はイオンの価数そのままですが、単原子イオンではない、分子中の原子、または多原子イオンの中の原子の酸化数は形式的に電荷を割り振ったものです。イオンでないものであってもイオンであるかのように見なしているのです。「Cr^(6+)」が存在するなんて書かれると「????」となってしまいます。Cr2O3の融点が2436℃、CrO3の融点が196℃であるという数字から考えるとCrO3はイオン性ではありません。無水クロム酸とも言われていますがCrO4^2-の中の結合と同じであろうと考えられます。
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イオン化エネルギー(単位はkJ/mol)

H  1312

Na 495  4562  6911
Mg 737  1476  7732

K  419  3051  4410
Ca 589  1145  4910

He  2373  5259
Ne  2080  3952
Ar  1520  2665 

1.不活性元素(希ガス)の電子配置から先に行くのは難しいのが分かります。
  Na^2+は存在しないだろうというのはエネルギー的な判断として可能です。

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