第17章電気化学

Key Concepts and Summary重要概念とまとめ

Redox reactions are defined by changes in reactant oxidation numbers, and those most relevant to electrochemistry involve actual transfer of electrons. Aqueous phase redox processes often involve water or its characteristic ions, H⁺ and OH⁻, as reactants in addition to the oxidant and reductant, and equations representing these reactions can be challenging to balance. The half-reaction method is a systematic approach to balancing such equations that involves separate treatment of the oxidation and reduction half-reactions.

酸化還元反応は反応物の酸化数の変化によって定義され、そのうち電気化学に最も関連するものは、電子の実際の移動を伴う。水溶液相の酸化還元過程では、酸化剤と還元剤に加え、水または水に特有のイオンH⁺とOH⁻が反応物として関与することが多く、これらの反応を表す式の係数合わせは難しいことがある。半反応式法は、酸化半反応と還元半反応を別々に扱うことで、このような式の係数を合わせる系統的な方法である。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 1–10練習問題 1–10

Exercise 1問題 1

Identify each half-reaction below as either oxidation or reduction.

以下の各半反応が酸化か還元かを判定しなさい。

(a)

{Fe}^{3+} + {3e}^{−} ⟶ Fe

(a)

{Fe}^{3+} + {3e}^{−} ⟶ Fe

(b)

Cr ⟶ {Cr}^{3+} + {3e}^{−}

(b)

Cr ⟶ {Cr}^{3+} + {3e}^{−}

(c)

{MnO}_{4}^{2−} ⟶ {MnO}_{4}^{-} + e^{−}

(c)

{MnO}_{4}^{2−} ⟶ {MnO}_{4}^{-} + e^{−}

(d)

{Li}^{+} + e^{−} ⟶ Li

(d)

{Li}^{+} + e^{−} ⟶ Li

Solution解き方

(a) reduction; (b) oxidation; (c) oxidation; (d) reduction

(a) 還元。(b) 酸化。(c) 酸化。(d) 還元。

Exercise 2問題 2

Identify each half-reaction below as either oxidation or reduction.

以下の各半反応が酸化か還元かを判定しなさい。

(a)

{Cl}^{−} ⟶ {Cl}_{2}

(a)

{Cl}^{−} ⟶ {Cl}_{2}

(b)

{Mn}^{2+} ⟶ {MnO}_{2}

(b)

{Mn}^{2+} ⟶ {MnO}_{2}

(c)

H_{2} ⟶ H^{+}

(c)

H_{2} ⟶ H^{+}

(d)

{NO}_{3}^{-} ⟶ NO

(d)

{NO}_{3}^{-} ⟶ NO

Exercise 3問題 3

Assuming each pair of half-reactions below takes place in an acidic solution, write a balanced equation for the overall reaction.

以下の各組の半反応が酸性溶液中で起こると仮定し、全体の反応の係数を合わせた式を書きなさい。

(a)

Ca ⟶ {Ca}^{2+} + {2e}^{−},

F_{2} + {2e}^{−} ⟶ {2F}^{−}

(a)

Ca ⟶ {Ca}^{2+} + {2e}^{−},

F_{2} + {2e}^{−} ⟶ {2F}^{−}

(b)

Li ⟶ {Li}^{+} + e^{−},

{Cl}_{2} + {2e}^{−} ⟶ {2Cl}^{−}

(b)

Li ⟶ {Li}^{+} + e^{−},

{Cl}_{2} + {2e}^{−} ⟶ {2Cl}^{−}

(c)

Fe ⟶ {Fe}^{3+} + {3e}^{−},

{Br}_{2} + {2e}^{-} ⟶ {2Br}^{-}

(c)

Fe ⟶ {Fe}^{3+} + {3e}^{−},

{Br}_{2} + {2e}^{-} ⟶ {2Br}^{-}

(d)

Ag ⟶ {Ag}^{+} + e^{−},

{MnO}_{4}^{-} + {4H}^{+} + {3e}^{−} ⟶ {MnO}_{2} + {2H}_{2} O

(d)

Ag ⟶ {Ag}^{+} + e^{−},

{MnO}_{4}^{-} + {4H}^{+} + {3e}^{−} ⟶ {MnO}_{2} + {2H}_{2} O

Solution解き方

(a)

F_{2} + Ca ⟶ {2F}^{−} + {Ca}^{2+};

(b)

{Cl}_{2} + 2Li ⟶ {2Li}^{+} + {2Cl}^{−};

(c)

{3Br}_{2} + 2Fe ⟶ {2Fe}^{3+} + {6Br}^{−};

(d)

{MnO}_{4}^{—} + {4H}^{+} + 3Ag ⟶ {3Ag}^{+} + {MnO}_{2} + {2H}_{2} O

(a)

F_{2} + Ca ⟶ {2F}^{−} + {Ca}^{2+};

(b)

{Cl}_{2} + 2Li ⟶ {2Li}^{+} + {2Cl}^{−};

(c)

{3Br}_{2} + 2Fe ⟶ {2Fe}^{3+} + {6Br}^{−};

(d)

{MnO}_{4}^{—} + {4H}^{+} + 3Ag ⟶ {3Ag}^{+} + {MnO}_{2} + {2H}_{2} O

Exercise 4問題 4

Balance the equations below assuming they occur in an acidic solution.

以下の反応が酸性溶液中で起こると仮定し、式の係数を合わせなさい。

(a)

H_{2} O_{2} + {Sn}^{2+} ⟶ H_{2} O + {Sn}^{4+}

(a)

H_{2} O_{2} + {Sn}^{2+} ⟶ H_{2} O + {Sn}^{4+}

(b)

{PbO}_{2} + Hg ⟶ {Hg}_{2}^{2+} + {Pb}^{2+}

(b)

{PbO}_{2} + Hg ⟶ {Hg}_{2}^{2+} + {Pb}^{2+}

(c)

Al + {Cr}_{2} O_{7}^{2−} ⟶ {Al}^{3+} + {Cr}^{3+}

(c)

Al + {Cr}_{2} O_{7}^{2−} ⟶ {Al}^{3+} + {Cr}^{3+}

Exercise 5問題 5

Identify the oxidant and reductant of each reaction of the previous exercise.

前問の各反応の酸化剤と還元剤を特定しなさい。

Solution解き方

Oxidized: (a) Sn²⁺; (b) Hg; (c) Al; reduced: (a) H₂O₂; (b) PbO₂; (c)

{Cr}_{2} O_{7}^{2−};

oxidizing agent: (a) H₂O₂; (b) PbO₂; (c)

{Cr}_{2} O_{7}^{2−};

reducing agent: (a) Sn²⁺; (b) Hg; (c) Al

酸化されるもの：(a) Sn²⁺、(b) Hg、(c) Al。還元されるもの：(a) H₂O₂、(b) PbO₂、(c)

{Cr}_{2} O_{7}^{2−};

。酸化剤：(a) H₂O₂、(b) PbO₂、(c)

{Cr}_{2} O_{7}^{2−};

。還元剤：(a) Sn²⁺、(b) Hg、(c) Al。

Exercise 6問題 6

Balance the equations below assuming they occur in a basic solution.

以下の反応が塩基性溶液中で起こると仮定し、式の係数を合わせなさい。

(a)

{SO}_{3}^{2−} (a q) + {Cu(OH)}_{2} (s) ⟶ {SO}_{4}^{2−} (a q) + Cu(OH) (s)

(a)

{SO}_{3}^{2−} (a q) + {Cu(OH)}_{2} (s) ⟶ {SO}_{4}^{2−} (a q) + Cu(OH) (s)

(b)

O_{2} (g) + {Mn(OH)}_{2} (s) ⟶ {MnO}_{2} (s)

(b)

O_{2} (g) + {Mn(OH)}_{2} (s) ⟶ {MnO}_{2} (s)

(c)

{NO}_{3}^{−} (a q) + H_{2} (g) ⟶ NO (g)

(c)

{NO}_{3}^{−} (a q) + H_{2} (g) ⟶ NO (g)

(d)

Al (s) + {CrO}_{4}^{2−} (a q) ⟶ {Al(OH)}_{3} (s) + {Cr(OH)}_{4}^{−} (a q)

(d)

Al (s) + {CrO}_{4}^{2−} (a q) ⟶ {Al(OH)}_{3} (s) + {Cr(OH)}_{4}^{−} (a q)

Exercise 7問題 7

Identify the oxidant and reductant of each reaction of the previous exercise.

前問の各反応の酸化剤と還元剤を特定しなさい。

Solution解き方

Oxidized = reducing agent: (a)

{SO}_{3}^{2−};

(b) Mn(OH)₂; (c) H₂; (d) Al; reduced = oxidizing agent: (a) Cu(OH)₂; (b) O₂; (c)

{NO}_{3}^{−};

(d)

{CrO}_{4}^{2−}

酸化されるもの＝還元剤：(a)

{SO}_{3}^{2−};

、(b) Mn(OH)₂、(c) H₂、(d) Al。還元されるもの＝酸化剤：(a) Cu(OH)₂、(b) O₂、(c)

{NO}_{3}^{−};

、(d)

{CrO}_{4}^{2−}

。

Exercise 8問題 8

Why don’t hydroxide ions appear in equations for half-reactions occurring in acidic solution?

酸性溶液中で起こる半反応の式に、水酸化物イオンが現れないのはなぜか。

Exercise 9問題 9

Why don’t hydrogen ions appear in equations for half-reactions occurring in basic solution?

塩基性溶液中で起こる半反応の式に、水素イオンが現れないのはなぜか。

Solution解き方

In basic solution, [OH⁻] > 1

\times

10⁻⁷ M > [H⁺]. Hydrogen ion cannot appear as a reactant because its concentration is essentially zero. If it were produced, it would instantly react with the excess hydroxide ion to produce water. Thus, hydrogen ion should not appear as a reactant or product in basic solution.

塩基性溶液中では、[OH⁻] > 1

\times

10⁻⁷ M > [H⁺]である。水素イオンの濃度は実質的にゼロなので、反応物として現れることはできない。もし生成されても、過剰の水酸化物イオンと直ちに反応して水を生じるだろう。したがって、塩基性溶液中では、水素イオンは反応物にも生成物にも現れるべきではない。

Exercise 10問題 10

Why must the charge balance in oxidation-reduction reactions?

酸化還元反応で電荷がつり合わなければならないのはなぜか。

electrode potential (E_X)

電極電位（E_X）

the potential of a cell in which the half-cell of interest acts as a cathode when connected to the standard hydrogen electrode

注目する半電池を標準水素電極に接続したとき、その半電池がカソードとして働く電池の電位。

half cell

半電池

component of a cell that contains the redox conjugate pair (“couple”) of a single reactant

一つの反応物の酸化還元共役対（「酸化還元対」）を含む、電池の構成部分。