第４章 電気分解と電池
電気分解と電池
解説ありません
第４章 電気分解と電池 ①電気分解
電気分解
電池をつなげて電子を流すのが電気分解ですが、電子は電池の負極（-）から出る、というのがまぎらわしいですね！電子の流れる向きと電流は逆なんです。多くの人が、まぎらわしい！とブツクサ言ってる事ですが、電子がまだ発見されていなかった頃に昔の人が決めちゃったから、しょうがないんです！ 陰極（-）には電子が集まってくるので、＋イオンが引き寄せられます。 逆に陽極（＋）は、電子が吸い取られて不足し、＋を帯びているので、基本は-イオンがやってきて電子を与えます。（電極が溶けて電子を残す場合もあります！）
第４章 電気分解と電池 ①電気分解
陰極の反応
陰極は基本、＋イオンが引きつけられますが、電解質に含まれる金属イオンが水素よりイオン化傾向が大きければ、金属イオンはそのままです。 酸性ならH+が引きつけられて電子をもらい、H2となります。酸性以外なら水が電子を受け取ります。H+＋OH−と考えると分かりやすいです。こちらもH2が出てきます。 水素よりイオン化傾向が小さい金属イオンの場合は、その金属イオンが引きつけられ、析出します。
第４章 電気分解と電池 ①電気分解
陽極の反応
陽極は基本、-イオンが引きつけられます。でも、電極がプラチナや炭素なら変化しにくいので大丈夫ですが、普通の金属でできた電極なら、電子を放出してイオンとなり、溶けてしまいます！ 電極がプラチナや炭素の場合は、電解質中にCl−、I−などのハロゲン化イオンがある場合、価電子が1コなので電子を手放しやすく、Cl2、I2となって出てきます。（F−は例外です。） Cl−、I−などがない場合は、SO42−、NO3−は酸化しにくいので、OH−が酸化され、O2となって出てきます。塩基性以外でも、水のOH−を使ってO2が出てきます。
第４章 電気分解と電池 ①電気分解
陽極反応おぼえかた
陽子って、なんとなく魔性の女のイメージ。「港のヨーコ、ヨコハマ、ヨコスカ」というツッパリの歌がはやりました。古い！？ 横浜は、東横線で行けましたよ。慶應の理工学部は、東横線沿いにあるんです。でも、当時はあまり行かなかったな。今の方がよっぽど行ってます。みなとみらいとかできて、こんなおしゃれな街になるとは、思わなかったよ！はあ～、ちょっとだけ後悔です。いや、仙台も素敵な街ですけどネ。 竜さん、翔さん、王さんも、なんとなく強い男のイメージです。竜さんはヤクザな男のイメージだし、翔さんはVシネの帝王だし、王さんは、巨人が全盛期のときのホームラン王です！長島と合わせて、ON砲と呼ばれました。古い！？
第４章 電気分解と電池 ①電気分解
電気分解まとめ図
電気分解のまとめ図です。第5編に練習問題があるので、やってみましょう！ まとめ図で、●印がついたところでは電池を取り去ってしまって抵抗をつけると、逆反応が起こってH2とO2からH2Oができます。つまり、水の電気分解の逆です。なぜならPtは水素化触媒だから、O2を水素化させて水を作るのです。これを利用したのが燃料電池です。→P84 電解質としてはNaOH、KOH、Ca(OH)2、H2SO4、HNO3、Na2SO4、NaNO3などがあげられますが、ただし、HNO3はとても強い酸化剤なので、電気分解には不向きです。有毒のNO2ができてキケンです。NaNO3は、電気分解はできますが、逆反応には不向きです。電気分解は、電池から電子が安定的に供給されるので大丈夫ですが、自然に逆反応をさせようとすると、NO3−がNO2やNO2−になる力の方が強く、不向きです。
第４章 電気分解と電池 ①電気分解
電気分解の計算
電気分解では、何モルの気体が発生したか？などの計算問題がよく出ます。 まずは電子が何モル流れたかです。ファラデー定数は、電子1モルが持つ電気量で、電流×秒が全体で流れた電気量なので、これをファラデー定数で割れば電子のモルが出ます。次に反応式をみれば、1モルの電子が流れると何モルの物質ができるかわかるので、計算すればよいです。
第４章 電気分解と電池 ①電気分解
電気分解の計算つづき
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第４章 電気分解と電池 ①電気分解
ファラデー定数
ファラデー定数は、いちおう書いてあるとは思いますが、覚えておいて損はないです。（まれに難関大で書いてない事があります！） 有名な覚え方ですが、黒子といえば、「黒子のバスケ」！黒子が目立たないのを利用して、相手が気づかないうちにパスをするのがミス・ディレクションですね。でも、神にはお見通し・・・。 黒子と天使の戦いは、バスケで！ そして、天使といえば、「フランダースの犬」のラストシーンですね！最後に憧れのルーベンスの絵をみて、愛犬とともに天使たちが天国に連れていく・・・日本中が泣いた！ 外国では、ハッピーエンドでない話を子供向けにするのはつらくて、それほど有名でなく、なぜ日本人が聖地巡礼でわらわらやって来るのか、フランダース地方の人々も不思議だったそうですが、急いで銅像を作り、それっぽくしたそうです。
第４章 電気分解と電池 ①電気分解
センター過去問
電気量を求める計算なので、まず6.7kgのNi(OH)2が何モルなのかを出し、ニッケルは＋3から＋2に変化するので、1モルごとに1モルの電子が移動するのだから、ファラデー定数をかけたものが電気量です。 ただし、何A・hかを出せというヒッカケなので、クーロンは何Aの電流が何秒流れたかという単位なので、A・hに直すには60×60（秒）で割らなければなりません。しかも、割り切れない！といういじわるな事もあります。センター試験は（現在は共通テスト）選択問題だから、あわてず近い値を出すくふうをしよう。
第４章 電気分解と電池 ②電池
ボルタ電池
ボルタ電池は、亜鉛と銅のイオン化傾向の差を利用した、もっともシンプルで原始的な電池です。 亜鉛の方がイオン化傾向が大きいので溶けます。電子を残すので負極から流れます。 電子が流れ出すのが負極デシタネ！電流が流れ出すのが正極。つまり電子の流れと逆。 電子が正極まで来ると、電解質中のH+を引き寄せます。でも、できたH2が電極にまとわりつくので、（分極という）電力はすぐに落ちます。
第４章 電気分解と電池 ②電池
ダニエル電池
ダニエルさんが、ボルタ電池の欠点の、分極を改良しました。電解質のH2SO4をやめて、H2があまり出ないようにしたのです。電解質はZnSO4とCuSO4の2種類にして、素焼き板でしきり、イオンは自由に通すようにしました。そうすると、正極の方はCuが析出してくっつきます。同じCuだから、問題ないです。 なぜイオンが自由に通れるようにするかというと、右と左で＋と－がかたよるのを防ぐためです。かたよってしまうと、電気の流れは止まります。なぜなら、正極のCuのまわりに－イオンがたまってくると、Cu2+が電極までたどりつき、電子をもらいにくくなってしまうからです。また、負極のZnのまわりに＋イオンがたまってくると、Zn2+と反発するから、Znが溶け出しにくくなってしまうからです。
第４章 電気分解と電池 ②電池
鉛蓄電池
鉛蓄電池の電極はPbとPbO2ですが、溶ける方が負極でしたネ！どっちが溶けそうっていったら、Pbですね。Pb2+イオンになって、電子を残して溶けます。PbO2のPbは、すでに酸化していて酸化数＋4ですからね。電子を受け取って＋2になります。 電解質はH2SO4で、どっちもPbSO4になるんです。 H2SO4が減ると電流は流れにくくなりますが、逆方向に電流を流すと、今度は逆反応が起こってもとにもどります。これが充電です！ そしてまた、電池として使う事ができます。
第４章 電気分解と電池 ②電池
マンガン電池
マンガン乾電池は、持ち運べるようにした、最もシンプルな乾電池といえます。負極のZnは溶けてZn2+になります。正極のMnO2は酸化剤なので、自分は還元します。 電解質は酸性に近いのですが、MnO2のまわりはNH3があるので、（反応式参照）すぐに水酸化物Mn(OH)2を作ろうとしますが、つまり酸化数＋4から＋2になろうとしますが、乾電池の場合は途中の＋3で止まってMnO(OH)となります。内部抵抗など、いろいろな障害があるからです。Hをとりこむので分極を防ぎます。 NH4ClはNH4+を配給するために使いますが、ZnCl2は、Znがすぐに溶けてしまうのを防ぐため、水和物となって電極に被膜を作ります。Zn2+の移動もできるので、溶けすぎず、妨げすぎず、ちょうどよいのです。 Znが溶けすぎると、電池の外側がZn電極なので、穴が空いてしまいます！それに、電解質が酸性なので、電子が余るとH+が電子を受け取り、H2ガスとなって膨張します。たまに、放置した電池が液漏れしているのは、そういうわけです！ かんけーないけど、私の時代は、遠距離恋愛＝ほぼ別れる でしたが、今は、SNSやらZoomやらで、昔ほど障害じゃないみたいですネ。私の娘も、遠距離恋愛の末、結婚しました。
第４章 電気分解と電池 ②電池
アルカリ電池
アルカリ乾電池は、電解質がアルカリなのでイオンの移動も速く、MnO2の還元もスムーズに行われます。H2もほとんど発生しません。しかも、Znが粉末なので反応する面積が大きくなります。だから、電流が大きくなるのです。（でも、大きな電流が必要でないものに使うと、機器を傷めます。）しかも、溶けるZn電極は内側にあるので、丈夫です！ リチウムイオン電池は、日本人がノーベル賞をとりましたネ！効率よく充電ができる二次電池で、スマホなどに使われます。ここまでくるともーよくわかりませんが、リチウムイオンがいったりきたりします。 その前に、リチウム電池というものがあります。リチウムイオン電池とは別物で、ボタン型電池です。原理は、今までの乾電池と同じですが、負極にリチウムを使います。リチウムは、周期表をみてもわかるように、ナトリウムよりも反応性が高く、キケンで、扱いにくいのです！それを、科学の進歩で扱えるようにしちゃって、ぐっと小型で、パワーもアップした電池ができたのです。
第４章 電気分解と電池 ②電池
燃料電池
白金は水素化触媒なので、O2を水素化させて水にします。水の電気分解の逆反応です。水しかできないからとてもクリーン。電気自動車は、排ガスを出しません。 燃料電池を二次電池的に使う研究もありますが、効率が悪く、なかなか実用化されません。基本は、水素の燃焼で電気を生み出します。 O2はそこらにあるから、問題は H2の供給ですね。水の電気分解といっても、結局は電気を使うわけですし。今は、主に石油から作っているので、まだまだエコとはいえません！水から簡単に H2ができれば、究極のエコ電池といえましょう！ノーベル賞級？ 日本でも研究が進んでいますヨ！例えば、人工光合成とか。第２編、第５編でもでてきますが、チタン（Ti）くんが光触媒として期待されています！
