電池と電気分解

25分 Part 1 / Ch2 / Lesson 7

前提レッスン: 1-2-6

到達目標

電池: 酸化還元反応の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。

ダニエル電池の構造

極	反応
負極（Zn）	$\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-}$ （酸化）
正極（Cu）	$\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu}$ （還元）

イオン化傾向: $\mathrm{Zn > Cu}$ なので Zn が溶けて Cu が析出する。

電気分解: 外部から電気エネルギーを加えて、自発的には起こらない酸化還元反応を強制的に起こすこと。電池の逆の操作。

電池と電気分解の比較

ファラデーの法則: 電気分解で析出する物質の量は、流れた電気量に比例する。

$Q = It$

$Q$ : 電気量(C)、 $I$ : 電流(A)、 $t$ : 時間(s)

ファラデー定数: $F = 9.65 \times 10^4\ \mathrm{C/mol}$ （電子1 mol の電気量）

例題: 電気分解の計算

硫酸銅(II)水溶液を $2.0\ \mathrm{A}$ の電流で $965\ \mathrm{s}$ 電気分解した。陰極に析出する銅は何 g か。（ $\mathrm{Cu} = 64$ 、 $F = 9.65 \times 10^4\ \mathrm{C/mol}$ ）

$Q = It = 2.0 \times 965 = 1930\ \mathrm{C}$

$n_{e^-} = \frac{Q}{F} = \frac{1930}{9.65 \times 10^4} = 0.020\ \mathrm{mol}$

$\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu}$ より、Cu : e⁻ = 1 : 2

$n_{\mathrm{Cu}} = \frac{0.020}{2} = 0.010\ \mathrm{mol}$

$m = 0.010 \times 64 = 0.64\ \mathrm{g}$

Q1 電池で電子が流れる方向は?

Q2 ダニエル電池で負極に使われる金属は?

Q3 電気分解で陰極に起こる反応は?

問1. 塩化ナトリウム水溶液を電気分解するとき、陽極と陰極でそれぞれ何が発生するか。各極の反応式も書け。

解答・解説

陽極（酸化）: 塩素 $\mathrm{Cl_2}$ が発生 $2\mathrm{Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^-}$

陰極（還元）: 水素 $\mathrm{H_2}$ が発生 $2\mathrm{H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^-}$

Na⁺ はイオン化傾向が大きすぎて析出しないため、代わりに水が還元されます。