電気分解とファラデーの法則
外部電源を使って強制的に酸化還元反応を起こすのが電気分解(電解)です。電気量と生成物量の関係を定めるのがファラデーの法則。
基本知識
電気分解では:
・陰極(カソード, 還元): 電源負極とつながり、陽イオンが還元される
・陽極(アノード, 酸化): 電源正極とつながり、陰イオンや電極自身が酸化される
陽極の挙動は電極材料で異なります: Pt, C(炭素)などの不溶性電極では電解液中のイオンが酸化される(Cl-→Cl2, 2H2O→O2+4H++4e-)が、Cu, Ag, Niなどの可溶性電極では電極自身が溶解(Cu→Cu2++2e-)。
ファラデーの法則: 析出量は通過電気量に比例。Q=It=nF(F=ファラデー定数=96500 C/mol)。電子1 molが運ぶ電気量がF。
📘 重要公式
電気量 Q（Q=It [C]）
ファラデー定数 F（96500 C/mol）
物質量 n（n=It/(zF), z=移動電子数）
陰極（還元、電源負極側）
陽極（酸化、電源正極側）
電解精錬（粗銅→純銅, 99.99%以上）
電気量 Q（Q=It [C]）
ファラデー定数 F（96500 C/mol）
物質量 n（n=It/(zF), z=移動電子数）
陰極（還元、電源負極側）
陽極（酸化、電源正極側）
電解精錬（粗銅→純銅, 99.99%以上）
深掘り (原理・応用)
銅の電解精錬は不純な粗銅を陽極、純銅を陰極にし、CuSO4水溶液中で電気分解。陽極でCu→Cu2++2e-として溶け、陰極でCu2++2e-→Cu として析出。Cuよりイオン化傾向の小さいAg, Auは陽極泥として沈み(貴金属の副産物として回収)、イオン化傾向の大きいZn, Niはイオンとして溶液に残ります。
Al製錬はホール・エルー法(融解Al2O3+氷晶石を1,000℃で電気分解)、NaOH製造はイオン交換膜法、メッキは亜鉛・クロム・ニッケルの電析が代表応用。
💡 ポイント
- 電源負極=陰極(還元)、電源正極=陽極(酸化)
- Q=It [C]
- F=96500 C/mol
- n=It/(zF)
- 不溶性電極(Pt, C)と可溶性電極(Cu, Ni)
- 銅の電解精錬で99.99%以上
- Al製錬=ホール・エルー法
注意点 (混同しやすい・頻出ミス)
① 電気分解と電池では用語が反転: 電池は負極=酸化、電気分解は陰極=還元。共通点はアノード=酸化、カソード=還元。② 陽極の反応は電極材料に依存する(Pt/C系か、Cu/Ag系か)。③ 電気量計算は移動電子数 z に注意(Cu2+はz=2, Al3+はz=3)。④ 1 F = 96500 C = 1 mol電子。
練習
- CuSO4水溶液をCu電極で電気分解したとき、陰極・陽極の反応式を書け。
- 0.50 Aの電流を9650秒流したとき、流れた電気量は何 C か。何 molの電子か。
- 同じ電気量で析出するCu, Ag, Alの物質量比(mol比)を求めよ。