理科の酸化と還元についてです。

質問

空気中で銀と銅を加熱すれば酸化銀と酸化銅ができますよね？
それから密閉された試験管内で酸化銀を加熱したら還元が起こりますよね？
では同じ方法で酸化銅は還元できないのはなぜですか？
あるいは加熱してできた酸化銀が加熱によってまた還元できるのはなぜですか？
中三です。何をバカな質問を、と思われるかもしれませんが、回答お願いします。

回答No.3

Saturn5 · ベストアンサー

イオン化傾向はご存じですね。
ここから５種類の金属を使って説明します。
Ａｌ＞Ｆｅ＞Ｃｕ＞Ａｇ＞Ａｕ

まず、鉄鉱石とは鉄の酸化物で、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４などです。
製鉄所では鉄鉱石に炭素 Ｃ を加えて還元して鉄を作ります。
ところが、イオン化傾向の大きいアルミニウムは酸素との結合力が強く、
アルミナ Ａｌ２Ｏ３ は炭素 Ｃでは還元することが難しいのです。
ですから、高温で溶かして電気分解（融解塩電解）します。

Ａｕはイオン化傾向が非常に小さく、酸化されずに、自然界では単体で
発見されます。砂金拾いという仕事があるのもこのためです。
ツタンカーメンのマスクが３０００年輝いていたのもこのためです。

Ｃｕ、Ａｇはイオン化傾向がやや小さい金属です。
放置だけではなかなか酸化されませんが、高温にすると反応性が高まるので、
酸化されます。これは、化学反応がおこるときには活性化エネルギーが必要で、
温度を上げるとそのエネルギーをもつ分子や原子が増えるからです。

温度を上げると原子や分子のもつエネルギーが増えて、より自由な状態、
すなわち気体になろうとする性質があります。（エントロピーの増大）
水を加熱すると水蒸気になるのもこのためです。
温度を非常に高くすると、活性化エネルギーの問題よりもエントロピーの問題の方が
大きくなります。太陽の表面温度である６０００℃くらいにすると、ほとんどの物質は
気体になります。

ＣｕとＡｇではＡｇの方がイオン化傾向が小さく、Ｏとの結合が弱いです。
ですから、Ａｇは比較的低温で酸素を離します。
（約２００℃） ２Ａｇ２Ｏ → ４Ａｇ　＋ Ｏ２
しかし、ＣｕはＯとの結合力が強いので、酸素を離す温度が高いのです。
（約９００℃） ４ＣｕＯ →　２Ｃｕ２Ｏ ＋ Ｏ２
（約１６００℃）　２ＣｕＯ　→　２Ｃｕ　＋　Ｏ２

最後に、この質問はバカな質問ではありません。
教科書に書いてあることを理由もなく鵜呑みにできる方がおかしいのです。
ただし、教科書も丸暗記をさせるために書かれているのではないのです。
上記の説明が中学生には難しいので割愛しているだけです。

お礼

イオン化傾向はいまいち理解できなくてそのままにしていたのですが、もう一度調べ直しました。化学式まで描いていただいて、ありがとうございます！

回答No.2

doc_somday

>中三です。何をバカな質問を、と思われるかもしれませんが

ちっともバカな質問ではありません、謙遜する必要は全くありません。
多分東大の化学の大学院の学生でも一人は間違った答えを書くでしょう。
またこの事実を知らない学生が半分くらいいるでしょう、日常的に使わないから。

全部精密に答えるのだけの精力がないので、銀の方だけしっかり答え、銅の方はそれに付加的な次項を付け加えることにします。
まず、なぜ加熱という同じ行為で別の現象が起るのでしょうか。
その前に、なぜ加熱しないと反応は起らないのでしょうか。
それは「化学」反応には「活性化エネルギー」というものが必要だということをおぼえておいて下さい。
高校で少し、大学の教養でもう少し、学部で専攻するようになるとはじめて完全に(正確に)教えて貰える事実です。
簡単に言えば、紙もライターなどで火を点けなければ燃えない、という事を想い出して下さい。
この場合炎を使うので「激しい加熱」になりますが、炎が無くても紙は発火します。著名なＳＦ(ファンタジーも多い)作家のレイ・ブラッドベリに「華氏４５１」という作品があります。この温度で紙は発火します。
加熱しなくてもものが燃えるなら、木造家屋も書物も使いもにならないでしょう。
純銀も空中の酸素と「加熱して」はじめて反応し酸化銀になります。
それが起らないのは化学反応には活性化エネルギーという障壁があるからです。
酸化銀が出来るのは酸化銀の方が「熱的に」純銀と酸素の混合物より「室温では」有利だからです。
つまり純銀が酸素と反応したとき発熱するのです。
ですが、上記の活性化エネルギーという障壁のせいで、加熱しないと酸化銀にはなりません。
さて、逆の酸化銀の分解反応で純銀と酸素の発生の方ですが、
これにも活性化エネルギーという障壁があります、それとは別に「高温では」酸化銀より純銀と酸素の混合物の方が熱的に有利なのです。
ですが、これをそのまま冷やしたらまた酸化銀に戻ってしまいます。
酸化銀を分解するためには、酸化銀を高温で分解して生じた酸素を何らかの方法で取り去ってやらねばなりません。ただ、酸素は９０.２Ｋ以上で常に気体ですので、例えば窒素を吹き付けたりして銀との再結合を阻害してやれば容易に「高温で有利」だった状態で冷却されてしまいます。
純酸化銀を高温にしてやれば、少なくとも一部は純銀と酸素に分かれますから、酸素を取り出すことが出来ます。

重要なのは次の点で、純銀を「空気中で」加熱しても全ての銀原子が酸化銀にはなりません。
非常な高圧酸素を用いても完全には純酸化銀にすることは出来ません。
純酸化銀を作るには別の反応を用いる方法が必要です。
また純酸化銀を加熱しても酸化銀中の全ての銀原子が酸素を放すわけではありません。
高真空にしても銀の中に結合した酸素が残ります。
これが「化学平衡」という現象で、化学の基本の「き」です。

で、最後にお待たせした銅ですが、これはただ単に通常使う実験方法で届く温度では、酸化銅より純銅と酸素の混合物の方が熱的に有利にはならない、というだけです。
通常この「還元反応」を行わせるには酸化銅を管に詰め、水素(窒素などで希釈してもいい)を流しながら加熱します。この時水が生じますので管は起てておきます。

熱化学については「ヘスの法則」という反応熱に関する法則がありますので、ちょっと見ておいて下さい。

お礼

温度によって、その物質に有利な状態があるということですよね。ありがとうございます！

回答No.1

poon777

簡単に説明すると、酸化銀は銀イオンのag+と酸化物イオンo2-が引き合って結晶になっています。
そこに熱が加わると熱振動が起こり激しくなって離れると考えると解りやすいと思います。
役にたったでしょうか？

お礼

イメージがしやすくて助かりました！ありがとうございます。