中3化学【*水の電気分解】

*このページで「水の電気分解のしくみ」をイオンを使った解説をしています。

イオン化傾向という考え方を使っています。

中学校内容よりも少し、一部に発展的な内容を含みます。

 

※できれば→【イオンとは】←→【電離・電解質】←も参考に。

※塩酸の電気分解については→【塩酸の電気分解】←を。

※塩化銅水溶液の電気分解については→【塩化銅水溶液の電気分解】←を。

 

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1.水の電気分解

■分解

1つの物質が2つ以上の物質に変化する化学変化。

 

■電気分解

電気を通すことで行う分解。

電気エネルギーを化学エネルギーに変換している。

■水の電気分解

(反応の様子) 水 → 水素 + 酸素

(化学反応式) 2H2O → 2H+ O2

 

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2.水の電気分解の仕組み

■陽極・陰極

電源の+極からつながっている電極が陽極

電源の-極からつながっている電極が陰極

※電極には他の物質と反応しにくい炭素や白金を用いることが多い。

 

POINT!!

電気分解は、次のイメージを持っておこう!

→ 溶液に電気を流す。つまり溶液中の電子を動かす。

→ 溶液中のイオンが無理やり電子を受け渡しさせられて、原子にもどる反応のこと!

 

水は電気を通しにくいため、水酸化ナトリウムを加えて電気を通しやすくします。

または水酸化ナトリウムの代わりに硫酸を加えることもあります。

 

それぞれで起こる反応が異なるので気を付けましょう。

 

[Ⅰ]  水酸化ナトリウムを加えた場合

① 容器の中のようす

水を容器に入れます。

水はごくわずかしか電離しません。

 

そこで水酸化ナトリウムを加えます。

水酸化ナトリウムは次のように電離します。

電離式:  NaOH → Na+ + OH

 

よって↓の図のように各イオンが存在します。

 

② 電流の流れ

ここに電源装置をつなぎます。

↓のように電流が流れます。

 

③ 電子の流れ

電流の正体は電子の流れです。

しかし電流の流れは電子の流れと反対向きでした。(↓の図)

電源装置は電子を動かす役目をします。

そのためには陽極で誰かから電子を渡してもらう必要があります。

 

④ 陽極での様子

容器内で電子を多く持っているのは陰イオンである水酸化物イオンOHです。

水酸化物イオンは陽極に近づき電子を失います(陽極に渡す)。(↓の図)

 

水酸化物イオンは電子を失たものが4つ集まることで酸素と水になります。(↓の図)

これが以下のように…

 

 

このように陽極側では酸素の気体が発生するのです。

この反応を式にすると

4OH→ O2+ 2H2O + 4e

となります。

 

⑤ 電子の移動

陽極には水酸化物イオンが置いていった電子があります。

この電子は電源装置によって陰極に運ばれます。(↓の図)

 

放っておくと電子はたまりっぱなしです。

誰かに持って行ってもらう必要があります。

 

⑥ 陰極での様子

陰極にたまった電子をもらうのは、本来であれば陽イオンです。

容器内にはナトリウムイオンNaがあります。

しかしナトリウムイオンは電子をもらいません。

それはイオン化傾向が原因です。

 

※イオン化傾向とは・・・

各金属原子・水素原子がどれだけイオンになりやすいか?というちがい。

 

↓のような順番になっている。

 

→【電池のしくみ】←でも紹介しています。

 

ナトリウムNaはイオン化傾向が大きいです。

イオン化傾向大イオンになりやすい(イオンのままでいたい)

ということです。

 

このためナトリウムイオンNaはそのままで変化しません。

 

代わりに電子を得るのが、容器内にたくさん存在する水分子H2Oです。

水分子が電子を得て水素が発生するという、中学ではあまり見ない反応が起こります。

 

式で書くと

2H2O + 2e → H2 + 2OH

という反応です。

よって陰極からは水素が発生します。(↓の図)

 

⑦ まとめ

【陽極で起こったこと】

水酸化物イオンが近づき電子を失った

・式で書くと 4OH→ O2+ 2H2O + 4e ※eは電子のこと。

 

【陰極で起こったこと】

水分子が近づき電子を得た

・式で書くと 2H2O + 2e → H2 + 2OH

 

【全体として】

・水が水素と酸素へと変化した。

・化学反応式で書くと 2H2O → 2H2+ O2

・液中の水のみが減少するので水酸化ナトリウム水溶液としての濃度は上がっていく

 

 

POINT!!

・水は電気を通しにくい。

→ 水は電離しにくいため、イオンがあまりない。

→ 少しでもイオンを増やそう。

→ そのために水酸化ナトリウムを溶かす。

 

・陽極では OHが近づき、電子を失う。

・陰極では H2Oが近づき、電子を得る。

 

[Ⅱ]  硫酸の場合

① 容器の中のようす

水を容器に入れます。

水はごくわずかしか電離しません。

 

そこで硫酸を加えます。

硫酸は次のように電離します。

電離式:  H2SO4 → 2H+ + SO42-

 

よって↓の図のように各イオンが存在します。

 

② 電流の流れ

ここに電源装置をつなぎます。

↓のように電流が流れます。

 

③ 電子の流れ

電流の正体は電子の流れです。

しかし電流の流れは電子の流れと反対向きでした。(↓の図)

電源装置は電子を動かす役目をします。

そのためには陽極で誰かから電子を渡してもらう必要があります。

 

④ 陽極での様子

容器内で電子を多く持っているのは陰イオンである硫酸イオンSO42-です。

しかし硫酸イオンは反応しにくいイオンです。

 

そのため硫酸イオンの代わりに、容器にたくさんある水分子H2Oが電子を陽極に渡します。

式で書くと次のような反応です。

2H2O → O2 + 4H + 4e

 

このように陽極側では酸素の気体が発生するのです。(↓の図)

 

※水酸化ナトリウムを溶かした場合は水酸化物イオンOHが反応していましたが、硫酸は酸性です。そのため、水酸化物イオンOHは存在しません。

 

⑤ 電子の移動

陽極には水分子が置いていった電子があります。

この電子は電源装置によって陰極に運ばれます。(↓の図)

 

放っておくと電子はたまりっぱなしです。

誰かに持って行ってもらう必要があります。

 

⑥ 陰極での様子

陰極にたまった電子をもらうのが水素イオンHです。

式で書くと

2H + 2e → H2

という反応です。

よって陰極からは水素が発生します。(↓の図)

 

⑦ まとめ

【陽極で起こったこと】

水分子が近づき電子を失った

・式で書くと 2H2O → O2 + 4H + 4e ※eは電子のこと。

 

【陰極で起こったこと】

水素イオンが近づき電子を得た

・式で書くと 2H + 2e → H2

 

【全体として】

・水が水素と酸素へと変化した。

・化学反応式で書くと 2H2O → 2H2+ O2

・液中の水のみが減少するので硫酸としての濃度は上がっていく

 

 

POINT!!

・水は電気を通しにくい。

→ 水は電離しにくいため、イオンがあまりない。

→ 少しでもイオンを増やそう。

→ そのために硫酸を溶かす。

 

・陽極では H2O が近づき、電子を失う。

・陰極では H が近づき、電子を得る。

コメント

  1. 質問があります。
    全体の反応により、水酸化ナトリウムの濃度が濃くなるとありますが、陽極の反応で水も生成されるのであれば、濃度は変わらなくなるのではないですか?もーすぐテストがあるので、知りたいです。。

    • 匿名希望様
      コメントありがとうございます。
      陽極の反応では水が生成しますが、それよりも分解される水の方が多いです。
      生成する水<分解される水なので、全体としては「水が減少した」となります。
      そのため水酸化ナトリウムの濃度は濃くなっていきます。

  2. OH-なのに酸素が出てくるのが疑問だったのですが、解決しました。
    質問なのですが、水素と酸素の出てくる量が違うのはなぜですか?

    • sss様
      コメントありがとうございます。

      2H2O→2H2+O2
      の反応式の通り、
      水素2分子に対して、酸素1分子と発生するからです。

      これによって発生する気体の体積が異なることとなります。

      また水素と酸素では原子1個の質量もまったく異なるので、質量も異なる割合で発生します。

  3. このサイトを見る限り、次のような化学反応式は合っているのでしょうか?
    4 H2O → (4 H+)+(2 OH-)
    (4 H+)+(2 OH-) → (2 H2O)+(O2)+(2H2)
    レポートの期限が近いのでよろしくお願いします!

    • じょう様
      コメントありがとうございます。
      その反応式で合っていますね。
      それをもっとも簡略化すると
      2H2O→2H2+O2
      となります。

  4. 陽極の水溶液ににおいや漂白作用はありますか?

    • 中村様
      コメントありがとうございます。
      水の電気分解では、陽極には酸素が発生します。
      しかし酸素は水に溶けないため、水溶液とはなりません。
      またにおいも漂白作用もない気体です。

      においや漂白作用があるのは塩素ですね。
      塩酸や塩化銅水溶液の電気分解で陽極側に発生する気体です。

  5. 質問があります。
    陰極では水素イオンが近づき、電子を受け取って水素になることを理解しました。
    他のサイトでは水自体が陰極で電子を受け取って水素と水酸化物イオンになると解説してます。
    どちらが正しいのでしょうか?

    • ゆうすけ様
      コメントありがとうございます。
      水は電気を通しにくいので、水酸化ナトリウムや硫酸を加えます。

      厳密な話をすると

      硫酸を用いた際は
      2H+2e-→H2
      の反応が起こります。

      水酸化ナトリウム水溶液を用いた際は
      2H2O+2e-→2OH-+H2
      の反応が起こります。
      これはアルカリ性の条件下ではH+はほぼ存在しないためです。

      中学内容なのであえて一方のみしか書きませんでしたが、ややこしいですね。
      これを機に記事を改訂させていただきます。
      ありがとうございます。

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ScienceTeacher
小中高生に数・理を教えている関西の現役塾講師です。
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