水 の 電気 分解 化学 反応 式。 食塩水の電気分解における電極での反応式(イオン式) 陽極で塩素が発生し、陰極で水素が発生する理由

中3理科 化学変化とイオン 電解質・電離式・電気分解

水 の 電気 分解 化学 反応 式

1 電気分解の原理 電解質の水溶液や融解液に 2 つの電極を入れ、それらに一定値以上の直流電圧をかけます。 すると、液中の物質やイオン、または電極自身が、一方の電極では酸化され、他方の電極では還元される反応が起こります。 このように外部から電気エネルギーを供給して、化合物に電圧をかけることで、自発的には進行しない酸化還元反応を引き起こし、化合物を化学分解する操作のことを、「電気分解 electrolysis 」といいます。 電気分解は、自発的には進行しない酸化還元反応を、無理やり進行させる方法です。 そのため、電気分解を起こすには、逆起電力以上の起電力を持つ電源を用いる必要があります。 電気分解では、外部から与えられた電気エネルギーが、酸化還元反応によって化学エネルギーに変換されます。 そのため、電気分解による生成物の化学エネルギーは、反応物よりも必ず高くなります。 つまり、電気分解は、熱化学的には吸熱反応です。 また、外部電源の正極とつながった電極を「陽極 anode 」といい、負極とつながった電極を「陰極 cathode 」といいます。 1 電源と電気分解の関係 電気分解においては、陰極には電子 e - がたまり、陽極には電子 e - が不足することにより、陰極はマイナスの電気を帯び、陽極はプラスの電気を帯びることになります。 したがって、これらの電極を電解質液に入れると、陰極には陽イオンが集まり、陽極には陰イオンが集まってきます。 そして、さらに陰極では陽イオンに電子 e - を受け渡そうという反応が、陽極では陰イオンから電子 e - を受け取ろうという反応が起こり、電解質液に直流電流が流れることになります。 つまり、電気分解が起こっているとき、陽極では酸化反応、陰極では還元反応が起こることになるのです。 同じ酸化還元反応でも、電池の場合は、負極で酸化反応、正極で還元反応が起こるので、注意が必要になります。 2 陰極の反応 外部電源より電子 e - が流れ込む陰極では、最も還元されやすい物質 酸化剤 が、電子を受け取って反応します。 つまり、陰極では還元反応が起こります。 電解質水溶液の場合、水溶液中に存在するイオンの種類によって、水素 H 2 が発生する場合と、金属単体が析出する場合があります。 したがって、複数のイオンが混在している水溶液に対し、電圧を 0 から徐々に上げながら電気分解していくと、まず銀 Ag が、次に銅 Cu が、その次に水素 H 2 が析出していきます。 ニッケル Ni や亜鉛 Zn のメッキが可能なのは、このためです。 例えば、水銀 Hg は、水素過電圧が 1. 0 〜 1. 3 V と非常に大きいため、水銀 Hg を電極に使うと、低電圧では水素 H 2 が発生しにくくなり、イオン化傾向の大きい金属が析出しやすくなります。 2 「 水素過電圧」により、実際に必要なエネルギーは増加する ただし、イオン化傾向の非常に大きい金属 Li 〜 Al の陽イオンについては、還元が難しいので、通常これらの金属単体は水溶液中で析出しません。 これらの金属の単体を析出させたいときには、固体の塩を融解して、液体状態にしたものを直接電気分解する必要があります。 この方法を、「融解塩電解 molten salt electrolysis 」といいます。 3 陽極の反応 外部電源へ電子 e - が流れ出す陽極では、最も酸化されやすい物質 還元剤 が、電子を失って反応します。 つまり、陽極では酸化反応が起こります。 このとき、陽極自身が酸化される場合と、電解液中の物質が酸化される場合があります。 しかし、電極として金 Au や白金 Pt 、炭素 C のように、酸化されにくい物質を用いた場合、電解液中の陰イオンが、代わりに酸化されることになります。 ただし、硫酸イオン SO 4 2 - や硝酸イオン NO 3 - は、極めて酸化されにくいので、これらはよほどの高圧でない限り、酸化されません。 つまり、通常、硫酸イオン SO 4 2 - や硝酸イオン NO 3 - は反応しません。 硫酸イオン SO 4 2 - や硝酸イオン NO 3 - が水溶液中に存在する場合、水 H 2 O が代わりに酸化されることになります。 一方で、水酸化物イオン OH - が酸化される反応については、ハロゲン化物イオンの酸化反応よりも起こりやすいです。 しかし、水酸化物イオン OH - は、中性 〜酸 性条件では酸化されにくくなる上に、電極によっては、「酸素過電圧 oxygen overvoltage 」の問題があるため、酸素 O 2 が発生する反応は起こりにくくなることがあります。 したがって、電気分解における陽極では、酸素過電圧の大きい白金 Pt などを使っている場合、事実上、 I - > Br - > Cl - > OH - の順に酸化されると考えて問題ありません。 3 主な金属の「酸素過電圧」 Ni Fe Cu Ag Pt 酸素過電圧 0. 12 V 0. 24 V 0. 25 V 0. 40 V 0. また、陽極では、次の式 II のように酸化されにくい硫酸イオン SO 4 2 - に代わって水 H 2 O が酸化され、酸素 O 2 が発生する反応が起こります。 電気分解で酸素 O 2 が発生するような場合、炭素電極は二酸化 炭素 CO 2 な どに変化して徐々に侵されるので、白金電極を用いるようにします。 そのため、水 H 2 O の電気分解には、薄い水酸化ナトリウム NaOH 水溶液や、希硫酸 H 2 SO 4 を用います。 また、陽極では、水酸化物イオン OH - が酸化されて、酸素 O 2 が発生する反応が起こります。 各極の反応は、次の通りです。 一方で、陽極付近の溶液では、水酸化物イオン OH - の濃度が減少するために、 pH が小さくなります。 これを「融解塩 molten salt 」といい、この状態ではイオンが自由に動き回れるので、導電性を示します。 このように電気分解で塩素 Cl 2 が発生する場合、白金電極はテトラクロリド白金 II 酸イオン [PtCl 4 ] 2 - などに変化して徐々に侵されるので、炭素電極を用いるようにします。 しかし、溶解塩電解では、イオン化傾向の大きい金属を析出させて、単体を得ることができます。 この方法は、ナトリウム Na やリチウム Li 、カルシウム Ca 、マグネシウム Mg 、アルミニウム Al などの工業的製法に用いられます。 5 電気分解の量的関係 白金電極と希硫酸を用いて、水 H 2 O の電気分解を行います。 このときの各極の反応式は、それぞれ次のように表されます。 例えば、水溶液に電子が 4 mol 流れると、陽極では水 H 2 O が 2 mol 酸化され、酸素 O 2 が 1 mol 発生します。 このように、電気分解によって変化する物質の量は、移動した電子の物質量に比例するのです。 また、電子 1 個が持つ電気量 Q は、 - 1. つまり、電気分解では、変化する物質の物質量は、通じた電気量 Q に比例します。 これを、「ファラデーの電気分解の法則 Faraday's laws of electrolysis 」といい、 1833 年にイギリスの化学者であるマイケル・ファラデーが発見しました。 ファラデーは、ロンドンの貧しい家庭に生まれ、小学校を中退して 13 歳頃から家計を支えるために働き始めたため、高度な数学などはほとんど知らなかったといいます。 当時は、自然科学をニュートン力学のモデルで記述するような数理物理学の傾向が強かったのですが、 イタリアの物理学者であるアレッサンドロ・ボルタが 1800 年にボルタ電池を発明したあと、電気分解現象や電流の磁気作用現象などの諸発見があり、実験的手法が注目されるようになりました。 数学教育を受けていなかったファラデーが自然科学研究の道に入れたのは、こうした当時の時代背景があったことによります。 ファラデーは、実験によって様々な事象を明らかにしたため、ファラデーを「科学史上最高の実験主義者」と呼ぶ人も多いです。 酸化数、陽極、陰極、イオンなどの用語は、すべてファラデーが一般化させたものです。 5 イギリスの化学者マイケル・ファラデーは、電磁気学および電気化学の分野での貢献で知られる ファラデーの法則は、モル比と反応式の係数比が等しいというだけの内容です。 これが法則として残っている理由は、電子の存在が明らかでなかったときに、ファラデーが実験的にこの法則を見出したからです。 電子 1 mol が持つ電気量は、電子 1 個が持つ電気量 - 1. また、電気分解において、微小時間 dt 当たりに流れる電気量 dQ のことを、電流 I といいます。 つまり、電気量 Q は、時間 t の関数で表すことができ、電流 I は、電気量 Q を時間 t で微分したものです。 これより、電流 I を時間 t で積分すると、次のような という関係が導けます。 つまり、電気分解において i 〔 A 〕の電流を t 〔 s 〕流すと、 it 〔 C 〕の電気量が回路に流れるのです。 ち なみに、 1 C はどのくらいの電気量なのかというと、大きさの目安として、 1 回の落雷の電荷が、約 1 C といわれています。 さらに、電気量 Q をファラデー定数 F で割れば、電気分解の反応に関与してくる電子 e - の物質量が求められます。

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水酸化ナトリウム溶液の電気分解の化学反応式を教えてください...

水 の 電気 分解 化学 反応 式

前回の記事では, イオン化傾向を利用して電気が流れるようにした仕組みのことを電池といい,電気分解は電池に繋いでビリビリと電気を流すことで分解が起こる仕組みのことをいうのでした. このことは• 電池は能動的な反応• 硝酸イオン• 硫酸イオン• リン酸イオン などのことです.高校化学ではこの3つを把握しておけば十分でしょう. なお,硝酸イオン ,硫酸イオン ,リン酸イオン が酸化されにくい理由は, それぞれに含まれる窒素N,硫黄S,リンPの酸化数が高く,それ以上酸化できないことにあります. それ以上酸化できないような元素は「最高酸化数に達している」などと言います. 酸化数については,以下の記事を参照してください. 【】 酸化数は元素がどれだけ酸化数されているかを図る指標で,酸化還元反応を捉える上で便利です. 酸化数は簡単な8つの原則と2つの例外を覚えていれば簡単に求められるので,確率にフォローしておいてください. さて,このときの半反応式は• 溶液が強塩基でない場合• 溶液が強塩基の場合 と溶液の塩基性の強さにより半反応式は異なります. どちらの反応でも酸素 が発生していますね. 強塩基の場合は,水酸化物イオン が溶液中に多量に存在し,水酸化物イオン は酸化されやすいので, から酸素 が発生していることに注意してください. 一方,強塩基でない場合は, が溶液中に少ないので,水 から直接酸素 が発生していますね. 溶液に酸化されやすいイオンが含まれていないときは,酸素 が発生する.このときの反応式は,溶液が強塩基のときと強塩基でないときで異なる. 陰極反応の2つのパターン 次に,陰極の反応をみます. 陽極とは反対に, 電気分解における「陰極」とは「電気分解で電池の負極とつながる方の極」というのでした. 電池の負極は電子 を放出するので,その電子 は陰極に流れていくことになります.すなわち,陰極は電子 を受け取っているので, 陰極では還元反応が起こります. 実は,陰極の反応は微妙なところがあるのですが,高校化学ではそのような微妙な場合が出題されることはほとんどないので,この記事ではその微妙なところは無視します. 陽極の反応とは異なり,陰極の電極が溶け出すことはありません. さて,陽極での反応は• イオン化傾向の小さい金属イオンが含まれているとき• 銅Cu• 銀Ag がほとんどです. イオン化傾向の大きい順に金属を並べた「イオン化列」は次のようになることを思い出しておきましょう. 確かに,銅Cuや銀Agはイオン化傾向が小さい方であることが分かりますね. 【】 銅Cuが陽イオン になることができるように, 金属は陽イオンになる性質 イオン化傾向 を持っています.このイオン化傾向には強さがあり,これを順番に並べたものを イオン化列と言います.このイオン化傾向を利用して電気を取り出す装置が電池です. さて,先ほど書いたように, 「イオン化傾向の小さい金属の陽イオン」が溶液中に存在すれば,容易に還元されて単体の金属に戻ります. たとえば,溶液中に銅イオン が含まれていれば, の反応が起こり,溶液中に銀イオン が含まれていれば, の反応が起こります.このとき,銅イオン ,銀イオン から単体の銅Cu,銀Agができています. このように, 溶液中のイオンなどが固体となって生成されることを「析出」といいます.上の場合では「銅Cuが析出した」「銀Agが析出した」などと表現します. 【】 水素Hを除く1族元素を「アルカリ金属」といいます. アルカリ金属は反応性に富み,水 や空気中の酸素 などと様々な反応をします.アルカリ金属の性質,製法,反応の基本事項をまとめています. 「イオン化傾向の大きい金属」は陽イオンでいる方が安定なので,あまり単体の金属に戻ろうとはしません. この場合には, 水素 が発生します. さて,このときの半反応式は• 強酸でない場合• 強酸の場合 と溶液の酸性の強さにより半反応式は異なります. 反応自体は違いますが,どちらの反応でも水素 が発生していますね. 強酸の場合は,水素イオン が溶液中に多量に存在し,水素イオン は還元されやすいので, から水素 が発生していることに注意してください. 一方,強酸でない場合は, が溶液中に少ないので,水 から直接水素 が発生していますね. 溶液に酸化されやすいイオンが含まれていないときは,水素 が発生する.このときの反応式は,溶液が強塩基のときと強塩基でないときで異なる. まとめ 以上をまとめると次のようになります.• 陽極の反応• 電極が金Au,白金Pt,炭素C以外のとき,電極が陽イオンになって溶ける.• 電極が金Au,白金Pt,炭素Cのとき,• 溶液中にハロゲンが含まれていれば,酸化されてハロゲンが生じる.• 溶液中にハロゲンが含まれていなければ,酸素 が生じる.• 陰極の反応• 溶液中にイオン化傾向の小さい金属のイオン , など が含まれているとき,これらは還元されて析出する Cu,Agなどが生じる .• 溶液中にイオン化傾向の小さい金属のイオン , など が含まれていないとき,水素 が生じる. 陽極はまず電極が何かを確認するところがスタートで,電極が溶けない場合には,溶液中の酸化されやすいイオンが酸化されるか,なければ酸素 が生じます. 一方,陰極は電極が解けることはなく,溶液中の還元されやすいイオンが還元されるか,なければ水素 が生じます. そのため,陰極の反応の• 電極が金Au,白金Pt,炭素Cのとき,• 溶液中にハロゲンが含まれていれば,酸化されてハロゲンが生じる.• 溶液中にハロゲンが含まれていなければ,酸素 が生じる. と,• 陰極の反応• 溶液中にイオン化傾向の小さい金属のイオン , など が含まれているとき,これらは還元されて析出する Cu,Agなどが生じる .• 溶液中にイオン化傾向の小さい金属のイオン , など が含まれていないとき,水素 が生じる. が対応していると理解すると分かりやすいかも知れませんね..

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実験9 食塩と食塩水の電気分解/3年理科『化学』/takaの授業記録2018

水 の 電気 分解 化学 反応 式

前回の記事では, イオン化傾向を利用して電気が流れるようにした仕組みのことを電池といい,電気分解は電池に繋いでビリビリと電気を流すことで分解が起こる仕組みのことをいうのでした. このことは• 電池は能動的な反応• 硝酸イオン• 硫酸イオン• リン酸イオン などのことです.高校化学ではこの3つを把握しておけば十分でしょう. なお,硝酸イオン ,硫酸イオン ,リン酸イオン が酸化されにくい理由は, それぞれに含まれる窒素N,硫黄S,リンPの酸化数が高く,それ以上酸化できないことにあります. それ以上酸化できないような元素は「最高酸化数に達している」などと言います. 酸化数については,以下の記事を参照してください. 【】 酸化数は元素がどれだけ酸化数されているかを図る指標で,酸化還元反応を捉える上で便利です. 酸化数は簡単な8つの原則と2つの例外を覚えていれば簡単に求められるので,確率にフォローしておいてください. さて,このときの半反応式は• 溶液が強塩基でない場合• 溶液が強塩基の場合 と溶液の塩基性の強さにより半反応式は異なります. どちらの反応でも酸素 が発生していますね. 強塩基の場合は,水酸化物イオン が溶液中に多量に存在し,水酸化物イオン は酸化されやすいので, から酸素 が発生していることに注意してください. 一方,強塩基でない場合は, が溶液中に少ないので,水 から直接酸素 が発生していますね. 溶液に酸化されやすいイオンが含まれていないときは,酸素 が発生する.このときの反応式は,溶液が強塩基のときと強塩基でないときで異なる. 陰極反応の2つのパターン 次に,陰極の反応をみます. 陽極とは反対に, 電気分解における「陰極」とは「電気分解で電池の負極とつながる方の極」というのでした. 電池の負極は電子 を放出するので,その電子 は陰極に流れていくことになります.すなわち,陰極は電子 を受け取っているので, 陰極では還元反応が起こります. 実は,陰極の反応は微妙なところがあるのですが,高校化学ではそのような微妙な場合が出題されることはほとんどないので,この記事ではその微妙なところは無視します. 陽極の反応とは異なり,陰極の電極が溶け出すことはありません. さて,陽極での反応は• イオン化傾向の小さい金属イオンが含まれているとき• 銅Cu• 銀Ag がほとんどです. イオン化傾向の大きい順に金属を並べた「イオン化列」は次のようになることを思い出しておきましょう. 確かに,銅Cuや銀Agはイオン化傾向が小さい方であることが分かりますね. 【】 銅Cuが陽イオン になることができるように, 金属は陽イオンになる性質 イオン化傾向 を持っています.このイオン化傾向には強さがあり,これを順番に並べたものを イオン化列と言います.このイオン化傾向を利用して電気を取り出す装置が電池です. さて,先ほど書いたように, 「イオン化傾向の小さい金属の陽イオン」が溶液中に存在すれば,容易に還元されて単体の金属に戻ります. たとえば,溶液中に銅イオン が含まれていれば, の反応が起こり,溶液中に銀イオン が含まれていれば, の反応が起こります.このとき,銅イオン ,銀イオン から単体の銅Cu,銀Agができています. このように, 溶液中のイオンなどが固体となって生成されることを「析出」といいます.上の場合では「銅Cuが析出した」「銀Agが析出した」などと表現します. 【】 水素Hを除く1族元素を「アルカリ金属」といいます. アルカリ金属は反応性に富み,水 や空気中の酸素 などと様々な反応をします.アルカリ金属の性質,製法,反応の基本事項をまとめています. 「イオン化傾向の大きい金属」は陽イオンでいる方が安定なので,あまり単体の金属に戻ろうとはしません. この場合には, 水素 が発生します. さて,このときの半反応式は• 強酸でない場合• 強酸の場合 と溶液の酸性の強さにより半反応式は異なります. 反応自体は違いますが,どちらの反応でも水素 が発生していますね. 強酸の場合は,水素イオン が溶液中に多量に存在し,水素イオン は還元されやすいので, から水素 が発生していることに注意してください. 一方,強酸でない場合は, が溶液中に少ないので,水 から直接水素 が発生していますね. 溶液に酸化されやすいイオンが含まれていないときは,水素 が発生する.このときの反応式は,溶液が強塩基のときと強塩基でないときで異なる. まとめ 以上をまとめると次のようになります.• 陽極の反応• 電極が金Au,白金Pt,炭素C以外のとき,電極が陽イオンになって溶ける.• 電極が金Au,白金Pt,炭素Cのとき,• 溶液中にハロゲンが含まれていれば,酸化されてハロゲンが生じる.• 溶液中にハロゲンが含まれていなければ,酸素 が生じる.• 陰極の反応• 溶液中にイオン化傾向の小さい金属のイオン , など が含まれているとき,これらは還元されて析出する Cu,Agなどが生じる .• 溶液中にイオン化傾向の小さい金属のイオン , など が含まれていないとき,水素 が生じる. 陽極はまず電極が何かを確認するところがスタートで,電極が溶けない場合には,溶液中の酸化されやすいイオンが酸化されるか,なければ酸素 が生じます. 一方,陰極は電極が解けることはなく,溶液中の還元されやすいイオンが還元されるか,なければ水素 が生じます. そのため,陰極の反応の• 電極が金Au,白金Pt,炭素Cのとき,• 溶液中にハロゲンが含まれていれば,酸化されてハロゲンが生じる.• 溶液中にハロゲンが含まれていなければ,酸素 が生じる. と,• 陰極の反応• 溶液中にイオン化傾向の小さい金属のイオン , など が含まれているとき,これらは還元されて析出する Cu,Agなどが生じる .• 溶液中にイオン化傾向の小さい金属のイオン , など が含まれていないとき,水素 が生じる. が対応していると理解すると分かりやすいかも知れませんね..

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