酸化還元滴定!指示薬で区別する2パターンのみを覚えろ!

酸化還元滴定 過マンガン酸滴定 赤紫色

わたなべのお知らせ!

受験化学コーチわたなべ

どうも、わたなべです。

今日は酸化還元滴定の2大パターンを公開します。

 

酸化還元では大きく分けて2つの内容が出題されます。

 

1つが「電気化学」です。電池や電気分解などで、このブログでも以前取り上げました。

「鉛蓄電池の受験テクニック!放電の反応式、モル比に着目!」

に取り上げた鉛蓄電池が最頻出です。

 

もう1つがこの酸化還元滴定です。そして、この酸化還元滴定は2パターンしか入試に出ません。

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滴定と言えば、中和滴定がありますが、中和滴定のように酸塩基であれば何でも出来るわけではないのです。その理由についてもお話しして行きます。

今日の記事をキッチリ読めば、酸化還元滴定で入試に必要なことは全て手に入ります。

 

そして、酸化還元におけるモル利用、モル比の知識もかなり深くなります。反応式を作って計算していた事などがばかばかしく思えます。

 

逆にこの記事を最後までキッチリ読み込まなかったあなたは、酸化還元の本当に立てるべき式が分からずに無駄な時間を試験中を過ごす事になり、

 

「あと3分あれば絶対に解けたのに、、」

と帰りの電車悔し涙を流し家に帰り、滑り止めの私大に行かなければならなくなります。

 

なので必ず最後まで読んでくださいね!

わたなべのお知らせ!

酸化還元滴定とは?

酸化還元滴定と似たような反応として、中和滴定と言う物があります。

酸の標準液を用いて塩基を、または塩基の標準液を用いて酸を滴定すること。

実は酸化還元でも全く一緒なんですよ!これと全く同じように、酸化還元反応を使って、未知の溶液を特定して行く作業を酸化還元滴定と言います。

 

ですが、中和滴定のときは、中和滴定の指示薬として『フェノールフタレイン』『メチルオレンジ』などがあり、どんな酸塩基でも反応の終わりを知る事ができたのです。

 

落ちこぼれ受験生のしょうご

酸化還元の指示薬てあんまり聞いたことない気がする、、、

受験化学コーチわたなべ

そうやねん!酸化還元滴定には適した指示薬がないねん!

 

だから、『代用品』をつかわなあかんその代用品がたった2つしかないねん!

落ちこぼれ受験生のしょうご

なるほど、だから酸化還元滴定は2パターンしか無い!

って言ってたんですね!

受験化学コーチわたなべ

そういうこと〜!

酸化還元滴定の指示薬は?

落ちこぼれ受験生のしょうご

じゃあその酸化還元滴定の指示薬ってなんなんですか?

受験化学コーチわたなべ

うん、実は指示薬って何か加えたりするとか言うイメージやと思うや。中和滴定の時も、「フェノールフタレインとかメチルオレンジ」を加えたよね。

 

でも実は、酸化還元滴定は、『酸化剤そのもの』が指示薬なんだ!

 

人間が反応が終わったときを明確に分かるためには、『視角』を使って分かるのが一番なんや!味が変わらなわからんとしたら、舐めなあかんからね。反応が終了していなかったらえらいこと。他にも嗅覚も危険。

だから、中和滴定でも色が変わったように、色の変化が一番確認しやすいねん!

 

優等生の森長君

うん、なるほどね!

落ちこぼれ受験生のしょうご

え、どういうこと?

( ̄ ̄ ̄∇ ̄ ̄ ̄; ?

優等生の森長君

つまり、『色付きの酸化剤、還元剤』そのものが指示薬なんだよ!

受験化学コーチわたなべ

そういうことだ!例えば、もともと色がついている酸化剤が反応で変化して色がなくなったとしたらどうかな?反応が終了したと考えていいよね。

 

だから、酸化剤や還元剤そのものが指示薬の役割も一緒にしてくれるんだよ。そして、色付きの酸化剤がたった2つしかない!

このことはどんな入試問題でも一緒なんだ。

 

つまり、めっちゃ教育上悪い言い方をすると、この2つだけ覚えておけば、全ての酸化還元滴定の入試問題に対応できるわけだ!!

 

じゃあ、その2つの酸化剤、還元剤兼指示薬きになるよね!もう頭に浮かんでいる君は勉強が進んでいてい最高だ!

 

それが、

過マンガン酸イオン

ヨウ素

 

 

過マンガン酸イオンはこの状態で、色がついていて、その色が

赤紫色です。

 

この色を使って反応の終点

見極めるのです。

 

ヨウ素は、おそらく多くの人が

小学校でも中学校でも

見た事がある。

 

『デンプンに付けるとヨウ素は青紫色になる』というヨウ素デンプン反応青紫色を利用します。

ヨウ素デンプン滴定

出典:http://www.photosynthesis.jp/youso.html

この2つのパターンだけをおさえておけば良いです。

酸化還元滴定の計算式の立て方

酸化還元滴定では量計算が100%出ます。

 

じゃあ、どうするべきか?

落ちこぼれ受験生のしょうご

はい、もちろん半反応式から化学反応式を立てます!(ドヤ顔)

受験化学コーチわたなべ

別に間違いじゃないよ!でも、酸化還元の最も重要な定義が分かればもっと簡単。

酸化還元の学校では教えてくれない受験最重要定義!

で確認してください。

 

一応こちらの動画を貼っておきます。

 

この最重要定義から考えれば、下の関係が成り立ちます。

スクリーンショット 2016-04-02 16.57.57

 

ということは、過マンガン酸イオンなら、

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過マンガン酸イオンのモル数の5倍が電子のモルだ。

 

過酸化水素と反応する場合

H2O2→O2+2H++2e

還元剤として投げる電子は、過酸化水素のモル数の2倍!

 

つまり、

過マンガン酸イオンのモル×5=過酸化水素のモル×2

という式を立てればいいだけ!

 

こんな酸化還元滴定でというか酸化還元の量関係を求める問題では、

受験化学コーチわたなべ
反応式は必須じゃない!

ってことだけ覚えておいてください!

 

じゃあ、計算問題の解法も確認したので、

過マンガン酸滴定

ヨウ素デンプン滴定

この2つに分けて実際にどのように滴定して行くかを見て行きましょう。

過マンガン酸滴定

酸化還元滴定 過マンガン酸滴定 赤紫色

まず、過マンガン酸カリウム自体が「酸化剤」ですよね。なので目的は還元剤を

MnO4(過マンガン酸イオン)の色変化を用いて、滴定終了を知る方法を過マンガン酸滴定と言います。

 

中和滴定と同じように、酸化剤過マンガン酸イオンビュレットから滴下します。このときの条件として、過マンガン酸イオンは『硫酸酸性条件』で反応させます。

 

反応式は、以下のようになります。

MnO4+8H++5e→4H2O+Mn2+

MnO4がMn2+になりますよね。MnO4の色は赤紫色です。これは暗記事項。そしてMn2+は無色です。これも暗記事項。

ステップ1:標準溶液の過マンガン酸カリウムをビュレットに入れる

過マンガン酸滴定

過マンガン酸イオンは赤紫色なんですよ。これがビュレットに入れられます。

ステップ2:測定したい還元剤をビーカーの中に入れる

硫酸酸性条件でビーカーに試料を入れる過マンガン酸滴定

試料(測定したいもの)の還元剤をビーカーの中に入れます。

ちなみに、ビーカーのなかを硫酸酸性条件にしておきます。理由は考えてくださいね!

ステップ3:ポタポタ滴定する

過マンガン酸滴定

最初は、ぽたっと落ちる過マンガン酸イオンが、還元剤と酸化反応して、すぐにマンガンイオンになります。

MnO4+8H++5e→4H2O+Mn2+

赤紫色の過マンガン酸イオンが無色のMn2+になります。

ステップ4:過マンガン酸滴定の終点

酸化還元滴定 過マンガン酸滴定 赤紫色

滴定ってビュレットで1滴ずつやります。最初の方なんてたくさんの還元剤がビーカーの中に100人くらいいるイメージです。1滴加えるというのは、その大軍の中に1人で突っ込むようなものです。

 

なので、何人かは殺せますが、すぐに殺されます。でもこの神風特攻隊を100回繰り返せば徐々に還元剤も少なくなっていきます。そして、いずれは、還元剤の電子を奪い切る日がきます。

 

それが、酸化還元滴定の終点です。その時に表れる変化が、赤紫色が消えなくなるという現象です

 

だって、赤紫色の過マンガン酸イオンをビーカーに入れても、過マンガン酸イオンを倒すための還元剤がすでにビーカーからいなくなっています

 

なので、赤紫色を無色にするものがないので、赤紫色が消えなくなったところが滴定終了点です。

ちなみに、さっき言った「硫酸酸性条件」にしておく理由わかりましたか?硫酸酸性条件にする理由はちゃんと考えましたか?

 

過マンガン酸イオンは、硫酸酸性条件の時に

MnO4+8H++5e→Mn2++4H2O

の反応をするんです。逆に中性塩基性条件の時は、

MnO4+4H++3e→MnO2+2H2O

という反応になってしまいます。MnO2は黒色だとか褐色だとか言われます。確かに過マンガン酸イオンの赤紫色からは変化はします。でも、わざわざ無色にする必要はありません。

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ヨウ素・デンプン滴定

 

ヨウ素って

I2+2e→2I

2I→I2+2e

のように、酸化剤としても還元剤としても働くのです。なので、実はですね、還元剤を滴定することも酸化剤を滴定することもできます

 

ヨウ素の指示薬はデンプン?

ヨウ素滴定は、ヨウ素デンプン反応という呈色反応を使います。ヨウ素デンプン反応を知らない人は誰一人いないでしょう。

ヨウ素デンプン反応

ヨウ素デンプン反応

下のようなバナナやジャガイモとかで小中学校でやった事があるのではないでしょうか?これは、ヨウ素がデンプンの隙間に入ることで、呈色しているんです。

デンプンのアミロースとアミロペクチンの違いとは?

つまり!ヨウ素がなくなったら、ヨウ素デンプン反応もクソもなくて、ヨウ素がヨウ化物イオンになった瞬間に呈色しなくなります。この性質を使って滴定の終点を目でわかるようにします

 

ヨウ素は酸化剤として働く時と還元剤として働く場合がありますので、この2つのパターンに分けて説明していきますね!

ヨウ素酸化滴定(ヨージメトリー)

 

 

「ヨウ素酸化滴定」とは、「ヨウ素が酸化剤として働く滴定」のことです。略してヨウ素酸化滴定。別名をヨージメトリーと言います。ちなみに、こんな名前は全く覚える必要ありません。なんなら俺も、覚えてません。

ステップ1:ヨウ素を溶液に溶かす

ヨウ素を溶液に溶かします。この時ヨウ素はヨウ化カリウム溶液に溶かします。なぜなら、ヨウ素って無極性分子ですよね。極性分子の水にはほとんど解けません。

なぜ「似た者同士よく溶ける」と言われる?その理由を解説

なので、ヨウ化カリウムに溶かして、イオンにします。

I2+I→I3

イオンにして溶液に溶けるようにします。

ステップ2:ヨウ素溶液に測定したい還元剤試料をくぐらせる

ヨウ素酸化滴定

反応します。ここでは例として二酸化硫黄だとします。二酸化硫黄をこのヨウ素が溶けている溶液にくぐらせます。すると、

SO2 +2H2O→SO42-+2e+4H+

I2+2e→2I

のように反応します。すると、溶液中のヨウ素が一部ヨウ化物イオンになります。ここで、重要なのが、ヨウ素は二酸化硫黄よりも過剰にあるということです。

ヨウ素酸化滴定

こんな感じで、ヨウ素のうち一部がSO2と酸化還元反応をして消費されます

ステップ3:デンプンを加えてヨウ素デンプン反応させます。

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デンプンを加えると溶液が青紫色になりますよね。そうすると青紫色になります。

 

ステップ4:ヨウ素デンプン反応の青紫色が消えるまで標準溶液で滴定する

 

これが目に見える反応の終点です。

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このように青紫色から透明になります。こうなると反応が終了と言えるでしょう。モル計算的に考えるとこうなります。

ヨウ素酸化滴定

 

 

受験化学コーチわたなべ
まあここまでで何か気づいたことはないかい?
優等生の森長君
なんか計算の仕方が逆滴定と一緒ですよね、、、

 

受験化学コーチわたなべ

そうなんだよ。逆滴定と全く同じ考え方を使っているんだよ!だから計算の仕方も逆滴定とほとんど同じになっているんだね!

こういう説明をしていると、そもそもの根本的な目的を忘れる人が非常に多いんですが、今回の目的は「二酸化硫黄のモル」を求めることですからね!

 

なので、計算式は、ヨウ素滴定

 

ヨウ素還元滴定(ヨードメトリー)

「ヨウ素還元滴定」とは、「ヨウ素が還元剤として働く滴定」のことです。略してヨウ素還元滴定。別名をヨードメトリーと言います。

ヨウ素が還元剤として2I→I2+2eとして反応します。

 

今回は還元剤としてヨウ素を使うので、滴定するのは酸化剤です。よく使われるのが過酸化水素H2O2です。

ちなみにちょいややこしいですよ!この反応。

ステップ1:過酸化水素水に過剰のヨウ化カリウムの硫酸溶液を加える!

ヨードメトリーヨウ素滴定

絵が最高に汚いですが、過酸化水素水に過剰のヨウ化カリウムを加えます。すると、ヨウ化カリウムの一部がヨウ素になります。

ヨウ素酸化滴定

この緑色の分だけ、ヨウ化物イオンは、ヨウ素になります。

ヨウ素酸化滴定

 

ステップ2:デンプンを指示薬として加える

ヨウ素滴定

ここでヨウ素デンプン反応のためにデンプンを指示薬として加えます。そうすると溶液が青紫色になります。

ステップ3:ヨウ素をチオ硫酸ナトリウムで滴定する

ヨードメトリーヨウ素滴定

ヨウ素溶液がチオ硫酸ナトリウムで滴定することで、ヨウ素がなくなり無色になる時が滴定の終了ポイントです。

ヨウ素酸化滴定

ヨウ化物イオンからヨウ素になったものをチオ硫酸ナトリウムで滴定すると、間接的に、過酸化水素を滴定することができているんですよ!

 

ちなみに、直接過酸化水素とチオ硫酸ナトリウムを滴定できない理由は大丈夫ですね?直接やると指示薬がないからです。そもそもの本題になりますが、過マンガン酸イオンとヨウ素が指示薬として使われるのは、色付きの酸化剤還元剤だからです。

 

このヨードメトリーってさっきの逆滴定っぽいヨージメトリーとは違いますよね。この反応のイメージって、お金みたいなもんなんですよ

 

昔は野菜と魚を交換していました。でも野菜の価値を相対的に測れないわけですよ。野菜と魚ってどれくらいの価値同士だと考えたりいいのか?

 

だから、野菜をまず換金します

 

ヨードメトリーは野菜の価値は、魚にしたらどれくらいか?ってことを測るものです。だから最終的には、お金って関係ないですよね。

白菜→200円に変換。(-白菜+200円)

200円→魚に変換(-二百円+魚)

合計するとー白菜+魚なんですよ。白菜がなくなって魚を手に入れただけなんです。お金自体は間を繋いでいるだけで最終的な量計算には入らないんです。

 

それと一緒でヨウ素は間をつなぐだけで、最終的な量計算的にいうと、過酸化水素とチオ硫酸ナトリウムの滴定と同じなんですね

 

これが、もし普通に便利な指示薬があればヨウ素を挟む必要がないんですが、残念ながら酸化還元滴定にはその指示薬がないので、このようにヨウ素を挟むことになります

 

 

ヨウ素滴定まとめ

ヨードメトリーは生じたヨウ素を滴定する。

ヨージメトリーは残ったヨウ素を滴定する。

最後に

さあ、酸化還元滴定なんてものは全てこの2つだけなんです。違うように見えても結局この2つを応用しているに過ぎないんです。だから、恐るるに足りません!!

 

計算問題では、特にヨウ素滴定でヨージメトリーかヨードメトリーかでしくじる人が多いです。ヨージメトリーでも無駄にヨウ化カリウムが出てきますからね笑。

 

しかも、まさか問題文でこの2つを区別する方法を教えてくれることはないですからね。なので両方確実にできるようにしましょう!

2 件のコメント

  • モコ より:

    こんにちは!
    酸化還元滴定がすごく簡単に溶けるようになりました。本当にありがとうございます!

  • もも より:

    かなり初歩的で恥ずかしいのですが…。
    演習をしている間によく分からなくなりました。
    中和滴定と酸化還元滴定の計算の仕方の違いが分かりません。
    中和滴定では「酸の価数×物質量=塩基の価数×物質量」、酸化還元滴定では化学反応式から計算を進めていくのでしょうか?

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    受験化学コーチわたなべ

    浪人の夏休みまで死ぬほど勉強したにも関わらず偏差値50を割ることも。そんな状態から効率よく化学を学び化学の偏差値を68まで爆発的に伸ばした。その経験を塾講師としてリアル塾で発揮するも、携われる生徒の数に限界を感じ化学受験テクニック塾を開講。 自己紹介の続きを読む。