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銅イオンはなぜ２価と１価があるのか
高校化学の教科書に、 硝酸銀水溶液中に銅片をいれておいた反応を Cu → Cu^2+ ＋ 2e^- 2Ag^+ ＋ 2e^- → 2Ag ∴ Cu ＋ 2Ag^+ → Cu^2+ ＋ 2Ag と示しています。 なぜ、銅イオンは２価とされるのでしょうか？ 硝酸が影響するのでしょうか？ それとも水溶液中では銅は必ず２価のイオンになるのでしょうか？ 原子番号が29の銅は、最外電子核には1個の電子が存在しているのだから、 安定した状態になるとすれば、１価の銅イオンになるのではないのですか？ 銅は１価よりも２価のイオンのほうが地球上に多くあるという事は、 ２価のイオンであるほうが安定している（？）という事で、 納得するべきかどうか悩んでいます。 早急なるご回答をいただけますように、どうぞよろしくお願いいたします。
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4s軌道と3d軌道のエネルギー準位はほとんど同じなので、[Ar](4s)1(3d)10と[Ar](4s)2(3d)9を考えれば、1価と2価が安定というのがわかると思います。 2価まで行ってしまうのは、地球上にある物質と結びつくときにはそこまで行くのが最もエネルギー的に得だということだと思います。
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No.2です。 Agが1価のイオンになるのは、その元素固有の性質と考えるべきでしょう。その原因は電子配置にあるでしょうが、そのあたりまで厳密な議論をするのは困難なように思います。硝酸イオンは特に関係ありません。 Cuが1価または2価のイオンになるのも、その固有の性質と言えるでしょう。 一般に、金属イオンにはとりやすい酸化数というものがあり、CuやFe等のように複数の酸化数になりうるものも多くあります。 高校レベルでは、金属ごとに可能な酸化数を覚えた上で、その中のどの酸化数になるかということを判断するのが妥当だと思います。 CuによるAg+の還元は、基本的には、 Cu ＋ 2Ag^+ → Cu^2+ ＋ 2Ag 2Cu ＋ 2Ag^+ → 2Cu^+ ＋ 2Ag のいずれかが起これば良いことになります。 ただし、上式と下式では必要なCuの量が異なっています。 Cuの量が少ない場合に、上式が起こることは確かですが、十分な量のCuが存在する場合に、どちらの反応が優先するかについては判断しかねます。 しかし、Cuが水に溶けない固体であるので、溶液中の平衡について考えるならば、反応系外に存在すると考えることもできますので、結果的に上式が優先することになるのではないかという気もします。 歯切れが悪くて申し訳ありません。 ＞硝酸銀水溶液中での銅が２価のイオンである理由は 「硝酸イオンが１価の陰イオンだから」ということで納得できますが・・・・ 意味がよくわからないのですが、これは正しくないと思います。この系においてCuがCu^2+になることについて、硝酸イオンは特に関係ありません。別のイオン、たとえば硫酸イオンでも同じことになると思います。
Cu+とCu2+を比較した場合に、前者の方が安定だと思います。 すなわち、Cu+をCu2+にするためには静電的な引力に逆らって、Cu+から電子を1個奪い去る必要があるからです。つまり、一般論として、多価の陽イオンの方が不安定であると言えるでしょう。 しかし、物事の変化は単独で起こっているわけではありません。 すなわち、Ag+が共存する状況を考えた場合に、Ag+が電子を1個受けとることによって生じるエネルギーと、Cu+から電子を奪うのに必要なエネルギーを比較する必要があります。結果的に、前者の方が大きいために、 Ag^+ + Cu^+ → Ag + Cu^2+ の変化が起こるということでしょう。 ただ、上述のような理屈はともかくとして、Cu+とCu2+を比較すると、Cu2+の方がありふれているということは言えると思います。
補足
御回答ありがとうございます。 やはり、化合する物質があるからこそ ２価のイオンになるということでしょうか？ 硝酸銀水溶液中の銅を考えた時、銅が２価のイオンになるのは、銀が１価のイオンであったためで、 銀が１価のイオンであるのは、硝酸イオンが１価の陰イオンだから・・。と考えればいいのでしょうか？ 教科書には Cu → Cu^2+ ＋ 2e^- から始まっていたので、その流れで考えていましたが、 AgNO3 → Ag^+ ＋ NO3^- から考えていけばいいのならば、硝酸銀水溶液中での銅が２価のイオンである理由は 「硝酸イオンが１価の陰イオンだから」ということで納得できますが、正しいでしょうか。
- パんだ パンだ（@Josquin）
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確かに銅イオン１個だけを考えると、Cu+の方が安定だと思います。 しかし、化合物を作るときには、電子軌道の共有による安定化が働き、単純には考えられません。 化合物を作るときはCu2+の方が安定だと覚えてしまった方がいいでしょう。 高校の化学で覚えなければならないCu+化合物は、有機化学ででてくるCu2Oだけです。
補足
御回答ありがとうございます。 『電子軌道の共有による安定化』という事は、銅イオンは外からの影響で、 銅(II)イオンであることが安定ということでしょうか？ 某書籍によると「(銅族のような)最外軌道に18個の電子を有する配置の安定度は、 18電子殻が完成したばかりの元素では幾分悪くなる。 〈中略〉18電子殻から電子が失われやすいのは、原子核上の電荷が、 18個の電子を強固に保つには十分な大きさでないためである。」と記述されています。 強引だなぁと思いつつ、銅イオン自体が一価のイオンよりも二価のイオンで存在するほうが 安定であるのだろうか？と解釈したのですが、どうでしょうか？
お礼
ご回答ありがとうございました。 また、せっかく頂いた回答に、なかなかお礼を書き込まずに申し訳ありませんでした。 書き込んでくださったURLを閲覧しました。 私が持っている本（『初等化学結合論』培風館）でもあまり言及されておらず、結局はそうなるものだと無理やり納得しようとしたのですが、もっと深く考えようとすると量子論から理解する必要があるのですね。 量子論も苦手ですが、とりあえず手持ちの本から復習したいと思います。 ありがとうございました。