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勉強お疲れ様です。小生の知識があなた様のお力になれれば幸いです。
さて、金属の酸化還元反応を考える上で重要なのはなんといっても金属のイオン化傾向ですね。「左に行けば行くほどイオンとして存在しやすく、右に行けば通常の金属として存在しやすい」というルールがあります。これをもとに、イオン化列におけるNaとFeを例に反応を考えてみましょう。
a)Na+水溶液中にFeを加えた場合
NaとFeを比べたとき、Naの方がイオン化列の左にありますので、Naのほうがイオンとして存在しやすく、Feはそのままの金属Feとして存在しやすいことになります。よって、a)は最初からナトリウムがナトリウムイオンNa+として存在しているので反応は起こりません。
b)Fe²+水溶液中にNaを加えた場合
この場合、金属として存在しやすい鉄がイオンFe²+になっており、そこにイオンとして存在しやすいナトリウムが通常の金属Naとして混ざります。すると、鉄は電子eーをもらって金属Feに戻り、Na+は電子eーを手放してNa+になるんですね。
このときの両者の電子eーを用いたイオン反応式は以下のようになります。
鉄 ・・・Fe²+2eー→Fe ① ※鉄の酸化数は+2→±0になり、自身は還元され、相手を酸化させた(酸化剤)
ナトリウム・・・Na→Na++eー ② ※ナトリウムの酸化数は±0→+1になり、自身は酸化され、相手を還元させた(還元剤)
また、①+②×2をして、電子eーを消去したイオン反応式は以下のようになります。
Fe²+2Na→2Na++Fe ③
いかがでしたか? これが金属の酸化還元反応です。H₂O₂のように酸化剤・還元剤の両方としてはたらく浮気者ではなく、金属の場合は「イオンになりやすいヤツが金属&金属のままでいたいヤツがイオンになっている」場合のみ反応します。
これを踏まえた上で質問内容を考えていきましょう!
気をつけたいのが、今回の硫酸銅ように日本語で書かれている場合は「CuSO₄が水に溶けてCu²+とSO₄²ーになっている」と自分で気づけるようになってください。そこにアルミニウム片Al(金属)を加える訳ですから、質問内容はCu²+とAlの酸化還元反応と解釈できるわけです。
AlとCuのイオン化列はAlの方が左にありますので、例(b)に挙げたように反応が進みます。よって以下の式が成り立ちます。
〈アルミニウムの電子eーを用いたイオン反応式〉
Al→Al³++3e- ・・・①
〈Cu²+の電子eーを用いたイオン反応式〉
Cu²++2eー→Cu ・・・②
酸化剤Alの半反応式①と還元剤CuSO₄の半反応式②をまとめて一つのイオン反応式にすると、
受け取った電子の数と渡した電子の数を揃えるために ①×2+②×3 をして電子eーの係数を揃えて消去します。
〈AlとCu²+のイオン反応式〉※質問者様の質問内容の解答はこれになります。
2Al+3Cu²+→2Al³++3Cu ・・・③
【おまけ】
③式を化学反応式で表してみましょう。化学反応式ではイオンを登場させてはいけません。よって③式のCu²+を物質に書き直します。
質問内容からCu²+はCuSO₄に書き直すことができます。よって以下の式になります。
2Al+3CuSO₄→2Al³++3Cu
ここで終わってはいけません。3Cu²+を3CuSO₄にするために、反応式の左辺に3SO₄書き加えたことになります。化学反応式でもイオン反応式でもそうですが左辺と右辺の原子の数が等しくなっていないといけません。よって右辺に3SO₄²ーを書き加えます。(3SO₄と書いてはダメです。硫酸銅から分かれたらSO₄²ーとして存在するからです。)すると以下の式になります。
2Al+3CuSO₄→2Al³++3Cu+3SO₄²ー
最後に、生成物の2Al³+と3SO₄²ーを組み合わせて物質に直したら化学反応式の完成です!
2Al+3CuSO₄→Al₂(SO₄)₃++3Cu+
ごっつぁんです・・・
とても分かりやすかったです!!
詳しく解説ありがとうございました!