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電気分解の反応式
高校化学からの質問です。 電気分解で、陽極から酸素が発生する場合、また陰極から水素が発生する場合、それぞれの反応式が参考書に２種類載っています。この２種類の反応式にはどのような違いがあるのでしょうか？またおさえておくべきポイントはどこでしょうか？ 陽極で酸素発生 １．２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋４Ｈ+＋４e- ２．４ＯＨ-→Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４e- 陰極で水素発生 １．２Ｈ2Ｏ＋２e-→Ｈ2＋２ＯＨ- ２．２Ｈ+＋２e-→Ｈ2 宜しくお願いします。
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教科書に説明が載っていませんでしたか。 陽極で酸素発生 １．２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋４Ｈ+＋４e- ２．４ＯＨ-→Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４e- アルカリ性溶液ではＯＨ－の濃度が高いので下の式（２．）を考えます。中性付近、または酸性溶液ではＯＨ－の濃度は非常に小さいです。Ｈ２Ｏが変化する上の式（１．）で考えます。 陰極で水素発生 １．２Ｈ2Ｏ＋２e-→Ｈ2＋２ＯＨ- ２．２Ｈ+＋２e-→Ｈ2 酸性溶液ではＨ＋の濃度が高いので下の式（２．）で考えます。中性付近、またはアルカリ性溶液では上の式（１．）を使います。 したがって水の電気分解では （Ａ） 陽極で酸素発生 １．２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋４Ｈ+＋４e- 陰極で水素発生 ２．２Ｈ+＋２e-→Ｈ2 であるか （Ｂ） 陽極で酸素発生 ２．４ＯＨ-→Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４e- 陰極で水素発生 １．２Ｈ2Ｏ＋２e-→Ｈ2＋２ＯＨ- であるかのどちらかであるという事になります。 希硫酸を使った場合は（Ａ）です。 水酸化ナトリウム水溶液を使った場合は（Ｂ）です。 （Ａ）の式で見ると陰極で消費されるＨ＋と同じ量のＨ＋が陽極で作られています。Ｈ＋の量は変わりません。ただ陽極の近くでの濃度が高くなっていますから普通には起こらない変化、拡散の逆の変化が起こっています。（Ｂ）ではＯＨ－の移動が起こっています。 どちらの場合でも水の量だけが減少しています。 １０年ほど前までは酸性溶液、アルカリ性溶液のどちらに対しても 陽極で酸素発生 ２．４ＯＨ-→Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４e- 陰極で水素発生 ２．２Ｈ+＋２e-→Ｈ2 という式が書かれていました。 Ｈ＋とＯＨ－は水の電離で常に存在していると考えていたのです。でもｐＨ＝１の溶液であればＨ＋の濃度とＯＨ－の濃度に１０^12の違いがあるのです。同じようにぶくぶくと泡が出るためにはＯＨ－の供給がものすごく速く起こっていなければいけない事になります。水の電離平衡の移動速度はそんなに速いものではないそうです。そんなにかすかにしかないイオンではなくてふんだんにある水が反応することでどちらの極からも泡が勢いよく出るという説明です。 陽イオンは陰極で反応する、陰イオンは陽極で反応するというイメージにも根拠がないということになりました。陽極の極板上では正イオン、不イオン、中性の分子のどれも反応する可能性があるということです。起こりやすさにいくらかの違いはあっても極端な違いはないそうです。濃度の影響が大きいということです。陽極上でＦｅ^２＋がＦｅ^３＋に酸化されるという反応は珍しいものではないそうです。
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- tarutarubo
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＃５の者です。 ＃６の方、補足回答を拝見しました。 こういう考え方があるとは知りませんでした。 非常に参考になりました。
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- htms42
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＃４です。 ＃５に ＞何から何が出来るかを覚えておくだけでは、陰極１の式は自分では作れなくなる と書かれていますので補足します。 ４つの式を別々のものとして覚えようとすると暗記物になってしまいます。イオン反応式の作り方の手順が示されているのもそういう風な事になるのを減らそうとしているからです。何が起こっているかだけがわかれば式は作ることが出来るという立場です。 陽極で酸素発生 １．２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋４Ｈ+＋４e- ２．４ＯＨ-→Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４e- 陰極で水素発生 １．２Ｈ2Ｏ＋２e-→Ｈ2＋２ＯＨ- ２．２Ｈ+＋２e-→Ｈ2 陽極の式２、陰極の式２は示されている手順で作ることが出来ます。 式１、式２は溶液が酸性であるかアルカリ性であるかで使い分けるのですからそれを使うと式２から式１は出てきます。式を覚えなくてもいい事になります。 陽極の式２から陽極の式１を作ってみます。 ４ＯＨ-→Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４e- これはＯＨ－が多いときの式です。酸性または中性の場合はＯＨ－はあまりありません。両辺に４Ｈ＋を加えます。左辺は水になります。 ４Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４Ｈ＋＋４ｅ－ 両辺に共通な２Ｈ２Ｏを消去するとＨ２Ｏを出発物質とした式１が得られます。 陰極の式２から式１を導く場合は両辺に２ＯＨ－を加えればいいです。 こういう操作をすると式１、式２は同じもののように思うかもしれません。でも反応に必要な電位（酸化還元電位という量が目安として使われています）の値はは少し異なります。やはり、イオンが反応するかと中性の水が反応するかとでは違いがあるのです。 でも反応の起こりやすさはこの電位だけでなく濃度にも関係するので、式１.式２の使い分けがされているのです。（中性の水とｐＨ＝１３の水とではＯＨ－の濃度が１００万倍異なります。ｐＨが６違うということと濃度が１００万倍違うということはイメージにかなりの違いがありますね。） 食塩水の電気分解では陽極で塩素が発生すると習います。でもこれは食塩水の濃度がある程度濃い場合です。薄くなれば酸素の発生も起こるようになります。（どれくらい酸素が混ざってくるかにはいろんな条件が関係してくるようです。）
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- tarutarubo
- ベストアンサー率18% (15/82)
皆さんが回答されているので、細かくは書きませんが、 要は使用している溶液の酸性、中性、塩基性の違いです。 下の方が言われているように、昔は一本化されていました。やってみるとわかりますが、これを計算に使用する場合、陽極・陰極ともどっちの式を使っても答えは同じです。但し、現行過程ではこれを区別するので、受験で間違えると減点されます。 押さえておくべきポイントは、何から何が出来るかを覚えておくだけでは、陰極１の式は自分では作れなくなるということです。 通常は Ａ⇒Ｂ と最初の物質と最後の物質を書いて、Ｈ2Ｏで酸素をあわせ、水素イオンでＨの数を合わせ、電子でイオンのプラスマイナスをあわせますが、陰極１の式は水酸化物イオンが含まれていますので、これだけはこの方法では作れませんから、覚えておく必要があります。
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正確に考えるとどんな「支持電解質」が加えられているかでかなり変わって良いのではないかと思います。 純粋な水の場合、 陽極では、 Ｈ2Ｏ → Ｈ2Ｏ^+・ ＋ e^- ⇒ ＨＯ・ ＋ Ｈ+ ＋ e^- ２ＨＯ・ ⇒ Ｈ2Ｏ2 Ｈ2Ｏ2 → Ｈ2Ｏ2^+・ ＋ e^- ⇒ ＨＯ2^・ ＋ Ｈ+ ＋ e^- ２ＨＯ2^・ ⇒ Ｈ2Ｏ ＋ Ｏ2↑ 陰極では、 Ｈ2Ｏ ＋ e^- → ＨＯ^- ＋ Ｈ^・ ２Ｈ^・ ⇒ Ｈ2↑ 水酸化ナトリウムが支持電解質の場合、 陽極では、 ＨＯ^- → ＨＯ^・ ＋ e^- ２ＨＯ・ ⇒ Ｈ2Ｏ2 … 陰極では純水と同じ。 硫酸が支持電解質の場合、 陽極では純水の場合と同じ、 陰極では、 Ｈ^+ ＋ e^- → Ｈ^・ ２Ｈ^・ ⇒ Ｈ2↑ になるでしょう。
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回答ありがとうございます。 いろいろ考えられるんですね。 参考になりました。ありがとうございます。
- usokoku
- ベストアンサー率29% (744/2559)
職業高校の化学として 電気化学反応式ですと、NHE(略号自信なし、標準水素電極に対する)の標準電極電位が書いてあるはずです。 電位よって、反応可能な電気化学式があり、どちらかの電位になっているはず。ただし、か電圧と濃度の関係で複数の反応が同時に起こっている場合もあり、この場合の判断は難しい(大学か大学院のレベルになってしまう)です。
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回答ありがとうございます。 参考になりました。
- aspeler
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大まかな説明しかできませんがご参考に。 陽極と陰極の違いに着目する必要があると思います。 違いとは電子の授受です。 陰極とは今回は電源の－側に接続されていますよね？ 電源の－側からは電子が流れ出てくるので、 陰極棒から水溶液に電子が渡されることになると思います。 ですので陰極での化学反応式では電子を受け取って水素が発生していますよね？ 次に陽極です。 電源の＋に接続されているので、陽極棒は水溶液から電子を受け取ることになります。 ですので水が分解されることで電子が生成されなくてはなりません。
お礼
さっそくの回答ありがとうございます。 僕が気になったのは陽極と陰極における１と２の反応式の違いなのです。なにか違いがあるのでしょうか？
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