亜鉛板×硫酸銅 置換反応Zinc in Copper Sulfate: Displacement

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 青色の硫酸銅水溶液に亜鉛板を入れてしばらく置くと、亜鉛板の表面と水溶液の色はどうなるだろうか。If you put a zinc plate into blue copper sulfate solution and leave it for a while, what will happen to the surface of the plate and to the color of the solution?💡 水溶液の青色は、どのイオンによる色だっただろうか。亜鉛と銅では、どちらがイオンになりやすいかを思い出そう。Which ion gives the solution its blue color? Recall which forms ions more easily, zinc or copper.
2. 銅イオンCu²⁺が1個減るとき、亜鉛イオンZn²⁺は何個増えると思うか。硫酸イオンSO₄²⁻の数はどうなるだろうか。When one copper ion Cu²⁺ disappears, how many zinc ions Zn²⁺ do you think appear? What happens to the number of sulfate ions SO₄²⁻?💡 それぞれのイオンの電荷（＋がいくつか、−がいくつか）に注目しよう。水溶液全体では＋と−がつり合っている。Look at the charge on each ion (how many + or −). In the solution as a whole, positive and negative charges balance.

2動かしてみようTry it

1. 最初の設定（「温度」25℃、「初期Cu²⁺」300個、「亜鉛板の表面積」1.0倍）で、開くと自動で反応が始まる。亜鉛板の表面で「2e−(Zn→Cu2+)」の赤い表示が出る場所と、析出した銅（赤褐色）がたまる場所を観察する。必要なら「一時停止」と「開始」で止めながら見る。With the default settings (Temperature 25 ℃, Initial Cu²⁺ 300, Zinc plate area 1.0×), the reaction starts automatically. Watch where the red "2e−(Zn→Cu2+)" labels appear on the plate and where the reddish-brown deposited copper builds up. Use "Pause" and "Start" to stop and look when needed.
2. 数秒ごとに、右の表示の「残りCu²⁺」「生成Zn²⁺」「SO₄²⁻」「析出Cu量」を記録する。水溶液の青さと亜鉛板の厚さの変化も見る。Every few seconds, record "Cu²⁺ left", "Zn²⁺ formed", "SO₄²⁻" and "Cu deposited" from the readout. Also watch the blueness of the solution and the thickness of the zinc plate.
3. 反応が終わるまで待ち、「反応完了: ○ 秒 (Cu2+ 0個)」の表示が出たときの経過時間と、そのあと反応が続くかどうかを確かめる。Wait until the reaction ends. Note the time shown in "Reaction complete: … s (Cu2+ = 0)" and check whether anything keeps reacting afterward.
4. 「温度」を10℃と90℃にして、それぞれ「リセット」を押し、「Cu100個析出まで」の時間と反応完了までの時間を比べる。Set Temperature to 10 ℃ and then 90 ℃, pressing "Reset" each time, and compare the "Time to 100 Cu" and the time until the reaction is complete.
5. 「温度」を25℃にもどし、「亜鉛板の表面積」を0.5倍と2.0倍に、次に「初期Cu²⁺」を100個と500個に変えて、同じように時間を比べる（これらのスライダーは動かすと自動でリセットされる）。Return Temperature to 25 ℃. Set Zinc plate area to 0.5× and 2.0×, then Initial Cu²⁺ to 100 and 500, and compare the times in the same way (moving these sliders resets the simulation automatically).

3確かめようCheck

1. 反応（電子の受け渡し）はどこで起こっていたか。銅はどこにたまったか。Where did the reaction (the electron transfer) happen? Where did the copper collect?→ Cu²⁺が亜鉛板の表面にぶつかった瞬間だけ、その場所に「2e−(Zn→Cu2+)」が表示され反応が起こった。液の中や離れた場所では反応しない。できた銅は液中をただよわず、亜鉛板の表面に赤褐色の層としてたまっていき、亜鉛板の灰色の部分は目に見えて細くなった。導線や電池は使われていない。The reaction happened only at the moment a Cu²⁺ hit the zinc plate surface, where "2e−(Zn→Cu2+)" appeared. Nothing reacted in the bulk of the liquid. The copper formed did not float around; it built up as a reddish-brown layer on the plate surface, and the gray zinc plate became visibly thinner. No wire or battery is involved.
2. 「残りCu²⁺」「生成Zn²⁺」「SO₄²⁻」の数はどのような関係になっていたか。How were the numbers "Cu²⁺ left", "Zn²⁺ formed" and "SO₄²⁻" related?→ 例えば5秒後に残りCu²⁺が107個なら生成Zn²⁺は193個で、合計はいつも初めのCu²⁺の300個になった。Cu²⁺が1個減るとZn²⁺が1個増え（1：1）、析出Cu量も生成Zn²⁺と同じ数だった。SO₄²⁻は最初から最後まで300個のまま変わらなかった。For example, after 5 s, with 107 Cu²⁺ left there were 193 Zn²⁺ formed, and the two always added up to the initial 300 Cu²⁺. Each Cu²⁺ lost meant one Zn²⁺ gained (1:1), and Cu deposited equaled Zn²⁺ formed. SO₄²⁻ stayed at 300 from start to finish.
3. 水溶液の色と反応の終わり方はどうだったか。How did the color of the solution change, and how did the reaction end?→ 残りCu²⁺が減るにつれて水溶液の青色はしだいにうすくなり、Cu²⁺が0個になるとほぼ無色になった。そのとき「Cu2+が0個 → 反応終了」と表示され、それ以降はZn²⁺もSO₄²⁻も動き続けるが反応は起こらなかった（25℃・300個・1.0倍では30〜40秒ほど）。As Cu²⁺ decreased, the blue color faded steadily, and when Cu²⁺ reached 0 the solution was almost colorless. Then "Cu2+ = 0 → reaction over" appeared; Zn²⁺ and SO₄²⁻ kept moving but no more reaction occurred (roughly 30–40 s at 25 ℃, 300 ions, 1.0×).
4. 温度・表面積・初期Cu²⁺の数を変えると、反応の速さはどう変わったか。How did changing the temperature, the surface area and the initial number of Cu²⁺ affect the reaction rate?→ 「Cu100個析出まで」は、温度10℃で約3秒、25℃で約2秒、90℃で約1秒と、温度が高いほど短くなった（粒子が速く動き、板にぶつかる回数が増える）。表面積0.5倍では約4秒、2.0倍では約1秒と、表面積が大きいほど短くなった。初期Cu²⁺を500個にすると約1秒と短くなった。反応完了までの時間も温度や表面積を大きくすると短くなったが、初期Cu²⁺を増やした場合は反応する量も増えるため、完了までの時間はあまり変わらなかった（数値は毎回少しずつ変わる）。"Time to 100 Cu" was about 3 s at 10 ℃, about 2 s at 25 ℃ and about 1 s at 90 ℃: higher temperature made it shorter (particles move faster and hit the plate more often). It was about 4 s at 0.5× area and about 1 s at 2.0×: a larger surface made it shorter. With 500 initial Cu²⁺ it fell to about 1 s. The time to complete the reaction also got shorter with higher temperature or larger area, but with more initial Cu²⁺ there is also more to react, so the completion time barely changed (values vary a little each run).

4考えようThink further

1. 逆に、銅板を硫酸亜鉛水溶液に入れても反応は起こらない。それはなぜか。If instead you put a copper plate into zinc sulfate solution, no reaction occurs. Why?→ 亜鉛は銅よりイオンになりやすい（陽イオンになりやすい）。亜鉛板と銅イオンでは、亜鉛が電子を出してZn²⁺になり、Cu²⁺がその電子を受け取って銅になる。銅板と亜鉛イオンの組み合わせでは、イオンになりにくい銅が電子を出す必要があるため、反応は起こらない。Zinc forms positive ions more readily than copper. With a zinc plate and copper ions, zinc gives up electrons to become Zn²⁺ and Cu²⁺ takes those electrons to become copper. With a copper plate and zinc ions, copper, which is less ready to form ions, would have to give up electrons, so no reaction occurs.
2. ダニエル電池も亜鉛と銅と硫酸銅水溶液を使うが、この実験とどこがちがうために電流を取り出せるのか。A Daniell cell also uses zinc, copper and copper sulfate solution. What is different about it that lets us take an electric current from it?→ この実験では、電子は亜鉛板の表面で亜鉛からCu²⁺へ直接渡されるので、電流として外に取り出せない（エネルギーはおもに熱になる）。ダニエル電池では亜鉛と硫酸銅水溶液を素焼きの板（セロハン）で分け、電子が導線を通って亜鉛板から銅板へ移動するようにしているので、電流として利用できる。Here the electrons pass directly from zinc to Cu²⁺ at the plate surface, so they cannot be taken out as a current (the energy is released mostly as heat). In a Daniell cell the zinc and the copper sulfate solution are separated by a porous barrier (such as cellophane), so the electrons must travel through a wire from the zinc plate to the copper plate, and that flow can be used as a current.

よくある誤解Common misconceptions

• 「亜鉛板に付いた赤い物質は、亜鉛がさびたり変色したりしたもの」と考えがちだが、これは水溶液中のCu²⁺が電子を受け取ってできた銅で、亜鉛はZn²⁺になって溶け出している。Students often think the red material on the zinc plate is the zinc rusting or changing color. It is actually copper formed when Cu²⁺ from the solution gains electrons, while the zinc itself dissolves as Zn²⁺.
• 「亜鉛と硫酸銅が反応すれば電流が流れる（電池になる）」と考えがちだが、電子が亜鉛板の表面で直接受け渡されるだけでは、外に電流は取り出せない。Students often think that zinc reacting with copper sulfate automatically produces a current (a battery). When electrons are simply handed over at the zinc surface, no current can be drawn off externally.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)