銅（Cu）は酸化力の強い酸と反応しますが、酸の濃度によって反応が異なります。ここでは、希硝酸と濃硝酸の場合の化学反応式を導出する方法を説明します。
銅と希硝酸の反応
(1) 反応の概要
希硝酸（\(\ce{HNO3}\)）は酸化力が弱いため、銅を溶かすには還元剤（電子を与える物質）として作用する必要があります。このとき、生成される還元生成物は \(\ce{NO}\) （一酸化窒素）です。
(2) 酸化還元反応を考える
銅が電子を失い、銅イオン \(\ce{Cu^{2+}} \)になる反応： \(\large{\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e^-}}\)
硝酸の主成分である \(\ce{HNO3}\) の中の硝酸イオン \(\ce{NO3^-}\) は、酸化剤として作用し、一酸化窒素 \(\ce{NO}\) を生成する： \(\large{\ce{NO3^- + 4H^+ + 3e^- -> NO + 2H2O}}\)
(3) 半反応式の調整と合成
上記の半反応式を電子数を揃えて加える：
- 銅の酸化反応：\(\large{\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e^-}}\) （×3）
- 硝酸イオンの還元反応：\(\large{\ce{NO3^- + 4H^+ + 3e^- -> NO + 2H2O}}\) （×2）
これを加えると： \(\large{\ce{3Cu + 2NO3^- + 8H^+ -> 3Cu^{2+} + 2NO + 4H2O}}\)
実際にはイオンはイオン対を形成するので、\(\ce{Cu2+}\)は\(\ce{Cu(NO)2}\)として存在しています。それを考慮して両辺に\(\ce{2NO3^-}\)を足して完成です。
\(\Large{\ce{3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O}}\)
銅と濃硝酸の反応
(1) 反応の概要
濃硝酸は希硝酸よりも強い酸化力を持つため、還元生成物は \(\ce{NO2}\) （二酸化窒素）になります。
(2) 酸化還元反応を考える
銅が電子を失い、銅イオン \(\ce{Cu^{2+}}\) になる反応： \(\large{\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e^-}}\)
硝酸イオン \(\ce{NO3^-}\) が \(\ce{NO2}\) に還元される反応： \(\large{\ce{NO3^- + 2H^+ + e^- -> NO2 + H2O}}\)
(3) 半反応式の調整と合成
- 銅の酸化反応：\(\large{\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e^-}}\)
- 硝酸イオンの還元反応：\(\large{\ce{NO3^- + 2H^+ + e^- -> NO2 + H2O}}\) （×2）
これを加えると： \(\large{\ce{Cu + 2NO3^- + 4H^+ -> Cu^{2+} + 2NO2 + 2H2O}}\)
実際には、イオンはイオン対を形成するので、\(\ce{Cu2+}\)は\(\ce{Cu(NO)2}\)として存在しています。それを考慮して両辺に\(\ce{6NO3^-}\)を足して完成です。
\(\Large{\ce{Cu + 4HNO3+ -> Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O}}\)
まとめ
| 反応系 | 酸化還元生成物 | 化学反応式 |
|---|---|---|
| 希硝酸 | \(\ce{NO}\) | \(\ce{3Cu + 2NO3^- + 8H^+ -> 3Cu^{2+} + 2NO + 4H2O}\) |
| 濃硝酸 | \(\ce{NO2}\) | \(\ce{Cu + 2NO3^- + 4H^+ -> Cu^{2+} + 2NO2 + 2H2O}\) |
導出のポイント
- 銅の酸化（\(\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e^-}\)）をまず考える。
- 硝酸イオンの還元が \(\ce{NO}\) (希硝酸のとき)なのか \(\ce{NO2}\) (濃硝酸のとき)なのかを区別する。
- 電子数を合わせて半反応式を合成する。
この手順を意識すれば、他の酸化還元反応の化学反応式も導出しやすくなります！
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