高校化学（酸化還元、電池の考え方）

質問

高1生で教科書を独習中です。よくわからないので、教えてください。

ダニエル電池について、教科書では、負極ではZn→Zn＾（２＋）＋2e^(-)正極では、Cu^(2+)+2e^(-)→Cuという反応が起きていて、Zn＞Cuより、Znが還元剤となっているという内容の説明があります。
（疑問点）
図から見ると正極での反応によって出たZn＾（２＋）は水溶液ZnSO４中に出て行っている。
また、それぞれの水溶液ZnSO4とCuSO4について、ZnSO4→Zn＾（２＋）＋SO4＾（２－）、CuSO4→Cu^(2+)+SO4^(2-)とそれぞれ電離していて後者のCu＾（２＋）が２e＾（－）と反応しているようにみえます。
正極、負極での反応は銅、亜鉛単独によるものではないのでしょうか？
ZnSO4とCuSO4はどのような役割（反応）をしてるのでしょうか？
Zn＞Cuよりとありますが、両極のうちイオン化傾向が大きいものが還元剤となるのでしょうか？（上の質問と繰り返しになりますが、水溶液は候補にはならないのでしょうか？）

回答No.4

gohtraw · ベストアンサー

酸化還元反応において何が酸化され、何が還元されたかは
電子のやり取りを見ると判ります。

電子を失ったのが還元剤、電子を得たのが酸化剤です。
この場合だとそれぞれ亜鉛（ゼロ価）、銅イオン（２価）です。

＞還元剤と酸化剤が亜鉛（Zn)と銅（Cu)と水溶液に浸される
＞金属で1対1対応する

全くおっしゃる意味が判りません。

＞水溶液のイオンが酸化剤となる

イオンというだけでその種類を特定していないとしたら
いい加減な参考書だと思います。

＞とりあえずのところ

とりあえずも何も、何が酸化されて何が還元されたかは
明らかです。

回答No.5

gohtraw

下記はご参考。
http://sekatsu-kagaku.sub.jp/battery.htm

お礼

ありがとうございました

回答No.3

gohtraw

まず、ゼロ価の金属とイオンはきちんと区別しましょう。
また、「水溶液が酸化剤」になるというのは（科学の観点
からすれば）曖昧な表現で、水溶液の中の何が酸化剤か
を明示しないといけません。

この問題に関していえば
亜鉛が電子を失って（酸化されて）亜鉛イオンになる
銅イオンが電子を得て（還元されて）銅になる
以外は起きないですね。

硫酸亜鉛、硫酸銅は水溶液中では亜鉛イオン、銅イオン、
硫酸イオンを生じますが、硫酸イオンと亜鉛イオンは
この系では変化しません。

補足

還元剤と酸化剤が亜鉛（Zn)と銅（Cu)と水溶液に浸される金属で1対1対応すると考えがちですが、そうではなく、あくまで、酸化剤はCuSO4から出たCu^（２＋）であるということでしょうか？
また、これは参考書に載っていたのですが、とりあえずのところ、電池の場合負極の金属が還元剤に、水溶液のイオンが酸化剤となる（今回のダニエル電池のように）と考えていてよいでしょうか?（もっと勉強を進めてゆけば深く考察出来るのかもしれませんが）

回答No.2

gohtraw

この問題についていえば、
還元剤：亜鉛
酸化剤：銅イオン
ということになります。また、銅板の役割ですが、銅イオンに
電子を与える「場」ですね。銅である必然性は特になく、銅より
イオン化傾向が小さいものであれば何でもいいと思います。
ただ、これに当てはまる金属は余り多くなく、高価だったり
（銀、金、白金）、毒性があったり（水銀）するのでわざわざ
使う理由もないと思います。あとは黒鉛が使えるかも。

この問題の範囲外であれば、酸化剤、還元剤はいろいろ
あります。金属の単体は（あくまで相手次第ですが）還元剤
であることが多いです。代表的なものは下記をどうぞ。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%85%B8%E5%8C%96%E5%89%A4
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%82%84%E5%85%83%E5%89%A4

補足

回答ありがとうございます。
(1)Cu、Zn、ZnSO4,CuSO4と4つでてきますが、このうち還元剤、酸化剤になりうるのはCu、Znだけと考えてよいのでしょうか？水溶液は酸化剤、還元剤にはなりえないのでしょうか?
(2)また、Cu＾（２＋）を供給しているのはあくまでもCuSO4ですよね、そうであっても酸化剤はCuなのですか？

回答No.1

gohtraw

イオン化傾向というのは、金属が電子を失ってイオンになる
傾向の大小です。電子を失うというのは言い換えると酸化
されるということです。

酸化、還元というのは相対的なもので、自分よりも酸化され
易いものが共存すると自分は酸化剤として働き、その逆だと
自分は還元剤として働きます。

この場合銅と亜鉛が共存して（負荷を通して電線でつながって
いる）いるので、イオン化傾向の差により、亜鉛が酸化されて
イオンになり、銅イオンは還元されて金属銅になります。
これまた言い換えると、亜鉛が放出した電子を銅イオンが
受け取って金属銅になるということです。

実は水溶液中には
水素イオンが存在するので、水素イオンが電子を受け取って
水素ガスになるようにも思えますが、銅のイオン化傾向は
水素よりも小さいので（つまり水素イオンよりも銅イオンの
方が電子を受け取りやすい）銅イオンの還元が優先します。

このとき亜鉛が放出した電子は電線を伝わって正極に移動
するので、電流が流れるわけです。電池であるためには
電子が電線を流れてくれなくては困るわけですが、もし
銅イオンが勝手に陰極の近くに移動して陰極表面で電子を
受け取ってしまうと電線には電子が流れなくなります。それ
を防ぐため、銅イオンが勝手に陰極近くに行かないように
素焼きの仕切りがあります。

つまり電池というのは電子を放出したいものと受け
取りたいものをうまく組み合わせ、化学反応によって生じた
電子の流れを作る装置だといえます。

せっかく亜鉛が電子を放出しても、それを受け入れるものが
正極側にないと電流は流れません。このため正極の周りに
銅イオンを存在させています。また、反応が進むと正極の
周囲は銅イオンが消費されて負の電荷が残り、陰極の周囲
は亜鉛イオンが生成して正の電荷が増えていくような気が
します。ただこのように電荷が偏った状態は不安定なので、
バランスを取る意味で亜鉛イオンと硫酸イオンが素焼き板
を通ってそれぞれ正極側および陰極側に移動します。見方
を変えると水溶液中にも電流は流れていて、その担い手が
亜鉛イオンおよび硫酸イオンであるともいえます。電解液が
ただの水でなく電解質の水溶液であるのは上記のように
（１）正極側で電子を受け取るイオンを供給する
（２）水溶液中での電流の担い手であるイオンを供給する
ことを目的としています。

補足

酸化剤、還元剤になりうるのは金属だけなのでしょうか?
また、銅２イオンCu^(2+)を供給しているのはあくまでもCuSO4ですよね？それならば、Cuは何か役割を果たしているといえるのでしょうか?