図でつかむ
電気分解では、陽極と陰極で何が発生するかを分けて図に書くと覚えやすくなります。
電気分解とは
水の電気分解
陰極（−）：水素 H₂ が発生（2H⁺ + 2e⁻ → H₂）
陽極（＋）：酸素 O₂ が発生（4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻）
全体：2H₂O → 2H₂ + O₂
水素と酸素の体積比は 2:1。
目的：水に電流を流すと、どのような物質に分かれるかを調べる。
観察事実：両方の電極から気体が出て、陰極側の気体は陽極側のおよそ2倍集まる。
確認：陰極側の気体は火を近づけると小さく音を立てて燃え、陽極側の気体は火のついた線香の燃え方を強める。
結論：水は電気分解によって水素と酸素に分かれ、体積比は水素:酸素 = 2:1 になる。
- 水酸化ナトリウム水溶液は皮膚や目を傷めるため、保護眼鏡を使い、直接触れない。
- 水素は燃えやすく、塩素は有毒なので、気体の確認は少量で、先生の指示のもとで行う。
- 電流を流している装置の電極や導線をぬれた手で触らない。
塩酸の電気分解
陰極：H⁺ + e⁻ → H（水素） → 水素 H₂ が発生
陽極：Cl⁻ → Cl + e⁻ → Cl₂（塩素）
全体：2HCl → H₂ + Cl₂
陽極からは 刺激臭のある黄緑色の塩素ガス。
塩化銅水溶液の電気分解
陰極：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu → 銅が析出（赤色固体）
陽極：2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻ → 塩素が発生
全体：CuCl₂ → Cu + Cl₂
陰極と陽極の決まり
- 陰極（−）：陽イオンが集まり、電子を受け取る。金属イオン → 金属、または H⁺ → H₂。
- 陽極（＋）：陰イオンが集まり、電子を放出する。Cl⁻ → Cl₂、OH⁻ → O₂ など。
- 陽イオンは陰極へ、陰イオンは陽極へ（反対の電荷に引かれる）。
電気分解と電池の違い
| 電池 | 電気分解 | |
|---|---|---|
| 方向 | 化学 → 電気 | 電気 → 化学 |
| 自発性 | 勝手に進む | 外部の電源が必要 |
| 負極／陰極 | 負極（電子を出す金属） | 陰極（外部から電子が入る） |
| 正極／陽極 | 正極（電子を受ける） | 陽極（外部に電子を出す） |
身近な電気分解の利用
- アルミニウム精錬（融解した酸化アルミの電気分解）
- 銅の純度を上げる（電解精錬）
- めっき（金や銀のメッキ）
- 水素製造（再生可能エネルギーから）
気体の確認方法
水素 H₂：火を近づけると ポンと音を立てて燃える
酸素 O₂：火のついた線香を入れると 炎が大きくなる
塩素 Cl₂：黄緑色、刺激臭、湿った青色リトマス紙を赤くしたあと漂白
二酸化炭素 CO₂：石灰水を白く濁らせる
イオン化傾向と電気分解
複数のイオンが溶けている場合、反応しやすいイオンが先に電子をやり取り
陰極：イオン化傾向の小さい金属（Ag, Cu）が銀色や赤色で析出しやすい
陽極：Cl⁻ が OH⁻ より反応しやすい（電解の場合）
中3では水・塩酸・塩化銅水溶液など限定的に学ぶ
- 陽極（＋）には 陰イオンが集まる（反対の電荷に引かれるから）
- 陰極（−）には 陽イオンが集まる
- 「同じ記号の極」と「集まるイオン」は 反対になることに注意
- 水素：酸素 = 2:1（化学反応式 2H₂O → 2H₂ + O₂ より）
- 陰極の水素のほうが多く出る
- 水素は燃料電池の原料になるため、注目されている
- 電池：化学変化 → 電気（自発的）
- 電気分解：電気 → 化学変化（強制的）
- 反対方向の現象
- 電気分解には 外部の電源が必要
練習問題
水の電気分解で、陰極から発生する気体と陽極から発生する気体、それらの体積比を答えよ。
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陰極：水素 ／ 陽極：酸素 ／ 体積比 水素:酸素 = 2:1
塩化銅水溶液の電気分解で、陰極と陽極で起こることをそれぞれ答えよ。
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陰極：銅が析出（赤色） ／ 陽極：塩素が発生
塩酸の電気分解で発生する気体は。
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陰極：水素 ／ 陽極：塩素（黄緑色、刺激臭）
ある水溶液を電気分解すると、陰極に赤色の固体がつき、陽極から刺激臭のある気体が出た。この水溶液と、陰極・陽極で起きた変化を答えよ。
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水溶液は塩化銅水溶液。陰極では銅イオン Cu²⁺ が電子を受け取って銅 Cu として析出し、陽極では塩化物イオン Cl⁻ が電子を失って塩素 Cl₂ が発生した。
電気分解の工業利用
- アルミニウム精錬：ボーキサイト → 酸化アルミニウム → 電気分解でアルミニウム
- 銅の電解精錬：粗銅から純度99.99%の銅を作る
- めっき：金属の表面に薄く別の金属を析出（電気めっき）
- 食塩水の電気分解：水酸化ナトリウム・塩素・水素を製造
- 水素製造：燃料電池の燃料として注目
まとめ
- 電気分解：電気エネルギーで 化学反応を強制的に起こす。
- 陰極（−）に陽イオンが集まり、電子を受け取って金属・水素に。
- 陽極（＋）に陰イオンが集まり、電子を放出してハロゲン・酸素に。
- 水の電気分解：水素と酸素が 2:1 の体積比で発生。
- 塩化銅水溶液：陰極に銅、陽極に塩素。
- 応用：アルミ精錬、銅の電解精錬、めっき、水素製造。