イオン化傾向の実例について

質問

高校の化学でイオン化傾向を習いますよね。
この時、コラムなどで書いてある話があります。
「タンカーの船底に、船の外壁の金属より、
イオン化傾向の多い金属の塊を付けておく。
すると、その金属の塊がまず海水と反応するので
海水による外壁の浸食を防ぐことが出来る」
こんな話を、読んだ覚えがあります。

実は、この話で疑問に思っていることがあるのです。
どうしてこのようなことが可能なのか？

例えばタンカーの端から、船底の金属の塊まで100mあるとします。
人間の目から見ると、100m先に鉄（外壁）よりイオン化傾向の大きい金属があるから
そちらが先に反応する、と判ります。
しかし、当の鉄の分子（この言い方が妥当かは別として）の立場で考えるとどうでしょう。

海水が反応しようとしたとき、鉄の分子が
「100m先に自分よりイオン化傾向の大きい金属があるので、
まず、そちらに当たってくれ」
と主張することが、どうして可能なのでしょう。
分子レベルで考えると100mなんて、地の果てのような距離だと思うのですが。

金属内の自由電子が何らかの情報を与えているのでしょうか。
でも、電子に情報を持たせることが出来るのですか。
また、外壁を構成している莫大な量の鉄分子すべてに
つねに情報を送り続けることがどうすれば可能なのでしょう。

高校、大学での科学の知識を完全に忘れている私にも解るように
説明していただけないでしょうか。
よろしくお願いします。

回答No.4

Zincer · ベストアンサー

uriboさんへ
高校の科学については全く触れないレベルの説明にはかなりの困難がありますが、電気めっきについては記憶がございますでしょうか？
かなり乱暴な説明になりますが、イオン化傾向の多い（正確には高い？）金属の電子を利用して溶けだそう（イオンになること）としている鉄をめっきしていると考えてはどうでしょうか？
ymmasayanさんの回答の重複になりますが、電気的につながっていることは重要な要因ですが、この場合電子に「向こうにもっと溶けやすい金属があるから、鉄を溶かさないようにしろ」という情報がのっているのではなく、「溶けやすい金属から出た電子は、鉄をめっきするために必要な充分のエネルギーを持っている」といえると思います。（ある種の情報と言えなくも無いですが）
この効果をもっと顕著にした物がymmasayanさんと同じサイトになりますが「外部電源陰極防食装置」になります。

ymmasayanさんも多少疑問が残っているようですが、防食に必要なのは電子の持っているエネルギー（表面の電位）ですので形状が複雑な場合やあまりにも大きな場合、電子は内部の抵抗によってそのエネルギーを失いますので、部分的に腐食が進行するようなことは考慮しなければならないと思いますし、実際に考慮して設計しているはずです。
それともう1つ
海水のような中性領域では、実際に電子を受け取っているのは酸素と考えた方が良いですよ。

参考URL：

http://lib1.nippon-foundation.or.jp/1998/0139/contents/043.htm

お礼

回答ありがとうございます。
「鉄をメッキしている」というのは、なるほどと思いました。
ただ、ymmasayanさんの話では、電子の移動スピードは非常に遅いとのこと。
ということは、ymmasayanさんが#1でおっしゃっている電位の平均化によるもの、
と考えて良いのでしょうか。

一回の反応で放出される電子は２個ですから、わずか２個の電子が亜鉛のイオンと結びつくのに
使っていたエネルギーが船体全体に平均化され
その平均化されたエネルギーが鉄をメッキするのに十分な量だ、と考えて良いのですか？

それともう一つ、今、疑問に思ったことがあります。
どうして、亜鉛が放出した電子は鉄を経由して海中に放出されるのでしょう。
電気的に一つであるなら、鉄を通さず直接、海中に電子を放出しても良いと思うのです。
ダニエル電池のように陰極と陽極で違う電解液を使っているのなら
まだ、何となく納得できそうなのですが
局部電池のように同じ電解液に浸かっている場合は、疑問が出てきます。

これは、電子を金属中に放出するより、液体に放出する方がはるかに大きなエネルギーが必要だ、
と考えて良いのでしょうか。
もしそうだとすると、一つの金属を単独で電解液に入れたとき
溶けだした金属イオンの持っていた電子が液中に放出されるのでなく
その電子は金属内に放出され、それに押し出された他の電子が液中に放出されるのでしょうか。

しかし、直接液中に放出する場合も、いったん金属内に放出する場合でも
最終的には液中に放出するのだから、必要なエネルギーは同じで
直接液中に放出しても良いように思うのですが．．．

回答No.5

Zincer

まだ、疑問点が御有りのようなので、再登場Zincerです。
前の回答でも申しましたが、解りやすくする為に乱暴な説明をしていますので、専門分野の方には、「嘘をつくな」と怒られそうですが目をつむってください。

とりあえず１つずつ
＞ymmasayanさんが#1でおっしゃっている電位の平均化によるもの、と考えて良いのでしょうか。
液体などは、その表面の圧力がどの場所でも一定ですよね（とりあえず重量は無視します）、同じように電流が流れていなければつながっている電導体表面での電位はすべて等しくなります。（実際に流れている電流もかなり微少です。）

＞一回の反応で放出される電子は２個ですから、わずか２個の電子が亜鉛のイオンと結びつくのに...
どんなにがんばっても亜鉛原子１個で鉄原子１個が限界です。
エネルギー的には充分ですが数的にはこれが限界と言う事になります。
もしかしたら、中学生の時に見た塩酸中の鉄の反応を考えたいるかもしれませんが、所詮海水は中性ですのでそれほど溶けているわけではありません。ですから少量の亜鉛で充分な訳です。

＞それともう一つ、今、疑問に思ったことがあります。．．．
説明不足でしたが、亜鉛の表面からも電子は放出されています。前述したように全表面で電位は等しいので、鉄の表面からも放出され、これが鉄の溶出を押さえているのです。

お礼

お礼が遅くなってすみません。

一番最後の疑問、どうも、もやもやしているのですが
専門的な話を避けるとこれが限界なのかも知れませんね。

元々の疑問については、だいたい納得がいきましたので、
これで終わりにしようと思います。
ありがとうございました。

回答No.3

ymmasayan

再質問にお答えします。

＞　電気的に一つだから、ですか。
タンカーのような巨大な物を考えると、「電気的に一つ」ということが感覚的に納得できないから、今回のような疑問が出てきたのでしょうね。
あまり巨大な物だと、端っこの方では別の反応をしていても良いじゃないか、と感じてしまうのです。

私も感覚的にはしっくりこないのですよね（笑い）。まず電気の伝わるスピードですが条件による違いはあれ、光や電波のスピードと同じ毎秒３０万ｋｍですね。但し電子の移動スピードは亀の歩くくらいのスピードとか。実はこの違いが感覚的にぴんとこない理由でしょうね。

このトリックの答えを次の例で確認して下さい。電子が１００ｍにわたってぎっしり並んでいます。これが全部一斉に１個分だけ右に動いたとします。すると見た目には、一番左の電子１個だけが一番右に一瞬で動いたように見えますね。

ということで、１００ｍを電気（電波）が伝わる時間は実に３００万分の１秒ということになります。

＞　ちょっと気になったのですが、どれだけ巨大な物でも、電気的に一つであるなら複数の場所で同時に反応が起こる事はないのですね？

上の話からそうだと思います。

＞　また、船底にくっつけた金属がイオン化したとき発生する電子は船体にため込まれるのでしょうか。
それとも、海水中のイオン化傾向の小さい金属が電子を受け取って船体に張り付くのでしょうか。
かりに、船体に電子がため込まれるとしたら、船体が帯電した状態になっていると考えて良いのでしょうか。

＃２で掲げたＵＲＬの説明によりますと、鉄のところにたまった電子は水素イオンと反応して水素ガスを発生するのですね。水酸化イオンは亜鉛イオンとバランスの取れた形で海水中に存在するか、析出して沈殿するのでしょう。結局鉄は全く溶けないことになります。

こう説明していても私もまだ、感覚的にモヤモヤしています。失礼しました。

お礼

電子のスピードの話、聞いたことがあります。
金属には電子が詰まっているので、反応によって放出された最初の電子が
電子一個分動いただけでも電流が流れるわけですよね。

ymmasayanさんも、感覚的には納得できないのですね。
大きさやスピードが、われわれの生活からかけ離れているからかも知れませんね。

もともとの疑問とは違うのですが．．．
この方法を使って船体を守るために海中に溶かしてきた亜鉛は
非常に膨大な量になるでしょう。
これが海水の成分を変えて、生態系に影響を及ぼしたりしないのか
少し、心配になりました。
特に大型タンカーの入港が多くて、海水がとどまりやすい地形（湾）になっている地域では。

回答No.2

ymmasayan

＃１の続編です。
ご質問に直接お答えするものでは有りませんが、電気化学的作用（局部電池）による金属腐食のメカニズムを説明したＨＰを参考ＵＲＬとして掲げておきます。

参考URL：

http://lib1.nippon-foundation.or.jp/1998/0139/contents/042.htm

回答No.1

ymmasayan

１００メートルの船でも電気的にはつながっています。
金属が溶ける（イオン化）時には船体との間で電子のやり取りがありますね。船体はイオン化しやすい金属を優先的に扱うわけです。船体が受け取れる電子には限りがあるとすると、イオン化傾向の高い金属からばかり電子を受け取ってしまいます。これが電気化学的作用による腐食と言われるものです。
トタン板（亜鉛めっき）、ブリキ板（スズめっき）などもこの原理の応用で小さな傷がついて鉄が露出しても、雨水やジュースの酸性によって先に腐食されるのはメッキ層なのですね。

電子が情報を持つのでなく、電子を押し付ける力が強いものが優先なのですね。電子を押し付けられた情報は瞬時に船体全体に伝わります。（電位の変化と言うか電位の平均化です）

お礼

お礼が遅くなってすみません。

電気的に一つだから、ですか。
タンカーのような巨大な物を考えると、「電気的に一つ」ということが
感覚的に納得できないから、今回のような疑問が出てきたのでしょうね。
あまり巨大な物だと、端っこの方では別の反応をしていても良いじゃないか、
と感じてしまうのです。

ちょっと気になったのですが、どれだけ巨大な物でも、電気的に一つであるなら
複数の場所で同時に反応が起こる事はないのですね？

また、船底にくっつけた金属がイオン化したとき発生する電子は
船体にため込まれるのでしょうか。
それとも、海水中のイオン化傾向の小さい金属が電子を受け取って
船体に張り付くのでしょうか。

かりに、船体に電子がため込まれるとしたら、
船体が帯電した状態になっていると考えて良いのでしょうか。

疑問が増えてしまいましたが、よろしくお願いします。