更新 2024-2-23
フロスト図（Frost diagram）
金属元素は様々な酸化数をとることができますが、どの酸化数が安定かは元素ごとに決まっています．例えば、鉄は２価が最も安定ですが、は３価の方が安定です．どの酸化数が安定かを知ることで、材料の合成や電池などのデバイスの設計を考える際に役立ちます．
ある化学種について、どのような酸化還元反応が進みやすいかは標準電極電位の値を見れば分かります．複数の酸化状態を持つ化学種の標準電極電位はラチマー図にまとめられていますが、ラチマー図からどの酸化数が最も安定かを知るにはちょっとした計算が必要になります．また、ラチマー図は具体的な値を知るには便利ですが、反応ごとの標準電極電位の大小関係を比べるには適していません．
フロスト図は、ある酸化数が他の酸化数に比べてどの程度安定であるかを視覚的に分かりやすく示した図です．標準電極電位そのものをプロットしているわけではないものの、安定性の議論をするのに向いています．
今回は、フロスト図について、その成り立ちと使い方を見ていきます．
フロスト図とその見方
フロスト図は、アメリカの化学者Arthur Atwater Frostが「自由エネルギーと酸化電位の両方のデータを簡便に示す」方法として提唱した図法です．
フロスト図では、横軸に化学種の酸化数、縦軸にの値をプロットします．ここで
は酸化数、
は０価の元素をN価のイオンに還元する際の標準電極電位です．
標準ギブズエネルギー（）の定義
（
はファラデー定数）より、
は標準ギブズエネルギーに比例する値です．
が小さいほど標準ギブズエネルギーが小さく、化学種が熱力学的に安定であることを示します．
フロスト図の作成には、下図のようなラチマー図の値を用います．
実際にフロスト図を作成してみてみましょう．ラチマー図の時と同様に、多くの価数をとることのできるを例に用います．
酸化数がゼロの状態を原点にとります．縦軸（）が標準ギブズエネルギーに相当する量なので、最も小さい
を持つ酸化数が最も安定であり、反対に最も大きい
を持つ酸化数が最も不安定です．
の場合２価が最安定で、７価が最も不安定となります．
の定義は物質によらないため、異なる化学種のフロスト図を同時にプロットすることが可能です．例えば、同族元素を同時にプロットすることで、周期によって安定な酸化数がどのように変わるかを比較できます．
フロスト図の縦軸が、横軸が酸化数（
）であることから分かるように、フロスト図の二点をつないだ直線の傾きは標準電極電位（
）を表します．すなわち、傾きが正であれば二点の右側の化合物が左側の化合物まで還元されやすく、逆に傾きが負であれば左側の化合物が右側の化合物まで酸化されやすい傾向を示します．
また、このことを利用して、ある酸化数が「不均化」を起こす傾向にあるかが分かります．不均化とは、ある酸化数の化学種が２種類以上の異なる酸化数に分かれる現象です．
任意の２つの酸化数の間に直線を引いた場合、その直線の上にある点は、それらの酸化数への不均化に対して不安定になることを意味します．実際に計算してみれば分かりますが、このような場合は不均化を起こしたほうが全体の反応電位が正（自由エネルギー変化が負）になる傾向があります．
逆に、任意の２つの酸化数の間に直線を引いた場合、その直線の下に点がある場合、２つの酸化数が「均化」する傾向があります．
標準電極電位はｐHによって異なるので、酸性溶液と塩基性溶液それぞれについてのフロスト図を作成することが可能です．一般に、酸性溶液中と塩基性溶液中では安定な酸化数が異なります．
まとめ
フロスト図は視覚的に安定性を判断できるので便利ですが、実際の標準電極電位を求めるためには傾きを計算しなければなりません．
一方、ラチマー図には標準電極電位が直接書き込まれていますが、直感的ではありません．
ラチマー図とフロスト図を併用し、定量的なデータが欲しい時にはラチマー図を用い、視覚的なデータが欲しい時はフロスト図を用いれば理想的です．
（フロスト図に標準電極電位を書き込んだら良いのでは？）
参考文献
Difference Between Latimer Diagram and Frost Diagram | Compare the Difference Between Similar Terms
シュライバー・アトキンス無機化学（上）第4版
