高1 ／ 化学基礎 ／ cb-10
金属のイオン化傾向・電池・電気分解
この単元でできるようになること
- の順（Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H₂) Cu Hg Ag Pt Au）を言え、金属と水・酸・酸素との反応性を判断できる
- 金属イオンの水溶液に別の金属を入れたときの反応（イオン化傾向の大きい金属が溶け、小さい金属が析出）を予測できる
- 電池のしくみ（負極で酸化・正極で還元、電子は負極 → 正極、電流は逆）と、ダニエル電池・鉛蓄電池・燃料電池の反応を書ける
- 電気分解（陽極で酸化・陰極で還元）で各極に生じる物質を判断し、流れた電気量から生成量を計算できる（ファラデーの法則）
- 金属の製錬（鉄・アルミニウム）と腐食・めっきを酸化還元として説明できる
入試での位置づけ
イオン化傾向は「どの金属が溶けるか・析出するか」の判断問題として頻出。電池はダニエル電池の各極の反応と電子の向き、電気分解は各極の生成物と量的関係（1 mol の e⁻ ＝ 9.65 × 10⁴ C）が共通テストの定番です。「負極・陽極 ＝ 酸化」「正極・陰極 ＝ 還元」で統一して覚えると混乱しません。
1. イオン化傾向
まずここだけ
金属が水溶液中で陽イオンになろうとする性質の強さ。大きいほど酸化されやすい（強い還元剤）。
Li ＞ K ＞ Ca ＞ Na ＞ Mg ＞ Al ＞ Zn ＞ Fe ＞ Ni ＞ Sn ＞ Pb ＞ (H₂) ＞ Cu ＞ Hg ＞ Ag ＞ Pt ＞ Au （リッチに貸そうかな、まああてにすんな、ひどすぎる借金）
| 金属 | 水との反応 | 酸との反応 | 空気中の酸化 |
|---|---|---|---|
| Li・K・Ca・Na | 常温の水と反応して H₂ | 反応 | すぐ酸化 |
| Mg | 熱水と反応 | 反応 | 加熱で酸化 |
| Al・Zn・Fe | 高温の水蒸気と反応 | 希酸と反応して H₂ | 加熱で酸化 |
| Ni・Sn・Pb | × | 希酸と反応（Pb は遅い） | |
| Cu・Hg・Ag | × | 希酸 ×、硝酸・熱濃硫酸（酸化力のある酸）には溶ける | |
| Pt・Au | × | 王水（濃硝酸 ＋ 濃塩酸 1：3）にのみ溶ける | 酸化されない |
不動態：Al・Fe・Ni は濃硝酸に入れると表面に緻密な酸化被膜ができて溶けない。
金属イオンとの反応：イオン化傾向の大きい金属が溶け（酸化）、小さい金属のイオンが析出（還元）。
Zn を CuSO₄ 水溶液に入れる：Zn ＋ Cu²⁺ → Zn²⁺ ＋ Cu（Zn が溶け、Cu が付着） Cu を ZnSO₄ 水溶液に入れる：反応しない Cu を AgNO₃ 水溶液に入れる：Cu ＋ 2Ag⁺ → Cu²⁺ ＋ 2Ag（銀樹）
2. 電池 ── 酸化還元でつくる電流
まずここだけ
2 種類の金属を電解質水溶液に入れると電池になる。
| 極 | イオン化傾向 | 反応 | 電子 |
|---|---|---|---|
| 負極 | 大きい金属 | 酸化（溶けて電子を出す） | 出る |
| 正極 | 小さい金属 | 還元（電子を受け取る） | 入る |
電子は負極 → 正極（導線内）、電流は正極 → 負極。電圧（起電力）は 2 つの金属のイオン化傾向の差が大きいほど大きい。
ダニエル電池（Zn | ZnSO₄aq | CuSO₄aq | Cu、素焼き板で仕切る）
- 負極：Zn → Zn²⁺ ＋ 2e⁻（Zn 板が減る）
- 正極：Cu²⁺ ＋ 2e⁻ → Cu（Cu 板が増える、CuSO₄ の青色が薄くなる）
- 素焼き板：2 液の混合を防ぎつつイオンを通す
その他の電池：
| 電池 | 負極 | 正極 | 電解質 | 特徴 |
|---|---|---|---|---|
| ボルタ電池 | Zn | Cu | 希硫酸 | 正極で H₂ 発生、すぐ電圧低下 |
| マンガン乾電池 | Zn | MnO₂ | ZnCl₂・NH₄Cl | 一次電池 |
| 鉛蓄電池 | Pb | PbO₂ | 希硫酸 | 二次電池（充電可）。放電で両極に PbSO₄、硫酸が薄くなる |
| リチウムイオン電池 | 黒鉛（Li） | LiCoO₂ など | 二次電池、軽くて高電圧 | |
| 燃料電池 | H₂ | O₂ | リン酸など | 全体で 2H₂ ＋ O₂ → 2H₂O、水しか出ない |
- 一次電池：使い切り、二次電池：充電して繰り返し使える（充電は放電の逆反応）
3. 電気分解 ── 電気で強制的に酸化還元
ここまでできれば十分
外部電源につないで反応を起こす。陽極（＋につないだ極）で酸化、陰極（−につないだ極）で還元。
| 極 | 起こる反応の優先順 |
|---|---|
| 陰極（還元） | イオン化傾向の小さい金属イオンが析出（Cu²⁺・Ag⁺）。Na⁺・K⁺ などは析出せず水が還元されて H₂（2H₂O ＋ 2e⁻ → H₂ ＋ 2OH⁻） |
| 陽極（酸化） | 電極が Cu・Ag なら電極自身が溶ける。Pt・C なら Cl⁻ → Cl₂、それ以外（SO₄²⁻・NO₃⁻）は水が酸化されて O₂（2H₂O → O₂ ＋ 4H⁺ ＋ 4e⁻） |
| 電解液（Pt 電極） | 陰極 | 陽極 |
|---|---|---|
| 塩化銅（Ⅱ）CuCl₂ | Cu 析出 | Cl₂ |
| 硫酸銅（Ⅱ）CuSO₄ | Cu 析出 | O₂ |
| 塩化ナトリウム NaCl | H₂ | Cl₂（NaOH が残る） |
| 水（希硫酸・NaOH 少量） | H₂ | O₂（体積比 2：1） |
| 硫酸銅（Ⅱ）、Cu 電極 | Cu 析出 | 陽極の Cu が溶ける（銅の電解精錬） |
ファラデーの法則：生成量は流れた電気量に比例。電子 1 mol の電気量 ＝ 9.65 × 10⁴ C（ファラデー定数）。 電気量 Q（C）＝ 電流 I（A）× 時間 t（s）
1.0 A で 32 分 10 秒（1930 s）：Q ＝ 1930 C → e⁻ ＝ 1930 ÷ 96500 ＝ 0.020 mol 陰極の Cu（Cu²⁺ ＋ 2e⁻ → Cu）：0.010 mol ＝ 0.64 g。陽極の O₂（4e⁻ で 1 mol）：0.0050 mol ＝ 0.112 L
4. 金属の製錬と腐食
- 鉄：鉄鉱石（Fe₂O₃）をコークスからの CO で還元：Fe₂O₃ ＋ 3CO → 2Fe ＋ 3CO₂（溶鉱炉）
- アルミニウム：ボーキサイト → アルミナ Al₂O₃ → 溶融塩電解（氷晶石を加えて融点を下げ電気分解）。電気を大量に使うのでリサイクルが重要
- 銅：粗銅を電解精錬して純銅（陽極泥に Ag・Au）
- さび：鉄が酸化（Fe → Fe²⁺ → 酸化鉄）。防ぐには塗装・めっき（トタン：Zn めっき、Zn が先に溶けて鉄を守る／ブリキ：Sn めっき、傷がつくと鉄が先にさびる）・合金（ステンレス）
5. よくある間違い
- 電池の「正極で酸化」（負極で酸化、正極で還元）
- 電流と電子の向きを同じにする（逆）
- 電気分解で「陽極 ＝ 陽イオンが集まる」と思う（陽極には陰イオンが集まり酸化される）
- NaCl 水溶液の電気分解で陰極に Na が析出すると思う（H₂ 発生）
- Cu が希塩酸に溶けると思う（イオン化傾向が H より小さいので溶けない。硝酸には溶ける）
- 電気量の計算で時間を分のまま使う（秒に直す）
- Cu 1 mol の析出に e⁻ 1 mol とする（2 mol）
6. 自己チェック
- イオン化傾向の順を言えるか
- Zn を CuSO₄ に入れたときの反応を書けるか
- 負極 ＝ 酸化・正極 ＝ 還元、電子は負極 → 正極、と言えるか
- ダニエル電池の各極の反応式を書けるか
- 陰極・陽極の生成物の優先順を言えるか
- Q ＝ It、e⁻ 1 mol ＝ 9.65 × 10⁴ C で析出量を計算できるか
7. 小テストへ
→ 小テスト（cb-10）
関連する単元
- 前提：cb-09 酸化と還元、s3-05 化学変化と電池（中学）、pb-10 電気
- 次に進む：bb-01 生物の特徴（ATP のエネルギー）
- ここで使う考え方が出てくる：pb-11 エネルギーの利用（燃料電池）
参考資料
- 文部科学省『高等学校学習指導要領（平成30年告示）解説 理科編 理数編』── 「化学基礎」(3) ア 化学反応（金属の酸化還元反応・電池・電気分解）
受験のしらべ ／ https://juken-shirabe.pages.dev/daigaku/science/cb-10/ ／ 更新 2026-09-12