高校化学 Unit 07

電気分解

電気を流して化学反応を起こすとどうなる？ファラデーの法則で析出量を計算し、工業プロセスも理解しよう。

⚡ 電極反応📐 ファラデーの法則🏭 電解精錬

電極反応とファラデーの法則

アクセサリーの「金メッキ」は、安い金属の表面に電気の力で金の薄い膜を貼り付けたもの。これは電池の逆の発想で、外部から電気を無理やり流し込むことで、本来自然には起きにくい反応(金属の析出など)を人工的に起こしている。これを電気分解という。

水に電極を入れて電気を流すと、片方の電極から水素の泡、もう片方から酸素の泡が発生する(水の電気分解)。流す電気の量を増やせば増やすほど、発生する気体や析出する金属の量も増える、という比例関係がある。

電気分解は外部電源で電流を流して酸化還元反応を起こす操作。電源の正極につないだ電極（陽極）で酸化、負極につないだ電極（陰極）で還元が起こる。流した電気量と析出・発生する物質量の関係をファラデーの法則で計算する。

⚡ 代表的な電気分解の電極反応

電解液	陰極（還元）	陽極（酸化）
希硫酸	2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑	H₂O → ½O₂↑ + 2H⁺ + 2e⁻
塩化銅(II)水溶液	Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu（析出）	2Cl⁻ → Cl₂↑ + 2e⁻
塩化ナトリウム水溶液	2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻	2Cl⁻ → Cl₂↑ + 2e⁻
硫酸銅(II)水溶液	Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu（析出）	H₂O → ½O₂↑ + 2H⁺ + 2e⁻（Pt極）

📐 ファラデーの法則と計算式

ファラデー定数 F = 96500 C/mol（電子 1 mol あたりの電気量）
流した電気量：Q [C] = I [A] × t [s]
移動した電子の物質量：n(e⁻) = Q / F = I×t / 96500 [mol]
析出量：n(物質) = n(e⁻) / （1 mol あたりの電子数）

例：2 A の電流を 965 s 流したとき、陰極に析出する Cu の質量
→ Q = 2×965 = 1930 C → n(e⁻) = 1930/96500 = 0.02 mol → n(Cu) = 0.01 mol → m = 0.01×64 = 0.64 g

❌ よくある誤解

誤:電気分解の陽極・陰極は、電池の正極・負極と同じ意味で使い方も同じ正:電気分解の陽極(酸化)・陰極(還元)という呼び方は「外部電源のどちらの極につながっているか」で決まり、電池の正極・負極(反応の自発的な向き)とは判断基準が異なる

電気分解の陽極は外部電源の+極につながる電極で、必ず酸化反応が起こる。電池の正極(還元)とは呼び方の由来も反応の向きも違う点に注意。

誤:電気分解でイオン化傾向の大きい金属イオン(Na⁺など)ほど陰極で優先的に析出しやすい正:むしろ逆で、イオン化傾向が小さい(還元されやすい)イオンほど陰極で優先的に還元・析出する。イオン化傾向が非常に大きいNa⁺などは水溶液中では還元されにくく、代わりに水がH₂として還元される

「還元されやすさ」はイオン化傾向の並びの逆順になる。水溶液の電気分解では、水よりも還元されにくい金属イオン(Na⁺, K⁺など)は析出せず、水素が発生する。

💡 なぜ流した電気量と析出量は比例するのか? 電極反応式(例:Cu²⁺+2e⁻→Cu)から、金属1molを析出させるには決まった物質量(この場合2mol)の電子が必要なことがわかる。電子1molあたりの電気量は常に一定(ファラデー定数F=96500 C/mol)なので、流した電気量が2倍になれば、渡された電子の物質量も2倍になり、析出する物質量も2倍になる、という比例関係が成り立つ。

ファラデー定数の精密な値は F = 96485 C/mol(電気素量 e=1.602176634×10⁻¹⁹ C とアボガドロ定数 N_A=6.02214076×10²³ /mol の積、いずれもSI基本単位の厳密な定義値)。高校化学では計算のしやすさから96500として扱うことが多い。計算問題頻出

🧮 実例計算:塩化ナトリウム水溶液の電気分解で発生するCl₂の体積

電流5 Aを3860秒間流したとき、陽極で発生するCl₂の体積(標準状態)を求める。

ステップ	計算
電気量 Q	5 A × 3860 s = 19300 C
電子の物質量 n(e⁻)	19300 / 96500 = 0.20 mol
Cl₂の物質量(2Cl⁻→Cl₂+2e⁻より電子2molでCl₂ 1mol)	0.20 / 2 = 0.10 mol
標準状態での体積	0.10 × 22.4 = 2.24 L

🎯 入試での問われ方「異なる電解槽を直列につないで同じ電気量を流したとき、各槽での析出量・発生量を比較させる」問題が頻出(直列回路では各電解槽を流れる電気量=電子の物質量が等しくなる点がポイント)。気体発生を伴う場合はmol計算(単元4)と組み合わせて標準状態の体積まで求めさせる問題が定番。

電解精錬と工業電解

銅鉱石を製錬して得られる銅(粗銅、純度約99%)には不純物が混ざっており、電気を通す性能があまり良くない。そこで電気分解の仕組みを使って不純物を取り除き、純度99.99%以上の高純度な銅を作る工業プロセスが行われている。私たちが使う電線の銅は、ほぼすべてこの方法で作られている。

また、アルミサッシや飲料缶に使われるアルミニウムも、もとは電気分解によって鉱石(ボーキサイト)から作られる。アルミニウムの精錬には大量の電気が必要なため、「電気の缶詰」とよばれることもある。

電解精錬は粗銅（不純物を含む銅）を精製して純銅を得る工業プロセス。陽極に粗銅・陰極に純銅板を使い、CuSO₄ 水溶液を電解液として電気分解する。不純物の Au や Ag は陽極泥として沈積する。

🏭 電解精錬のしくみ

電極	反応	ポイント
陽極（粗銅）	Cu → Cu²⁺ + 2e⁻　不純物も溶ける	不純物のうちイオン化傾向の低い Au, Ag は溶けず陽極泥に残る
陰極（純銅）	Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu　析出	Cu²⁺のみが選択的に析出するため高純度（99.99%）になる

🏗️ 主な工業電解プロセス

プロセス	原料	目的・主な生成物
食塩水の電気分解（イオン交換膜法）	NaCl 水溶液	Cl₂（陽極）・H₂（陰極）・NaOH（陰極室）の製造
アルミニウムの製錬（溶融塩電解）	Al₂O₃（アルミナ）	Al の製造（水溶液では不可、融解塩を電解）
電気メッキ	金属イオン含む電解液	製品表面に金属薄膜を形成（装飾・腐食防止）

❌ よくある誤解

誤:アルミニウムはイオン化傾向が大きい金属だが、電気分解なら他の金属と同じように水溶液から析出させられる正:Al³⁺のようにイオン化傾向が非常に大きい金属イオンは、水溶液中では水の還元(H₂発生)が優先されて析出せず、融解させた酸化物(溶融塩)を電気分解する必要がある

Na, K, Ca, Mg, Alなどイオン化傾向の大きい金属は、水溶液の電気分解では単体を得られない。ボーキサイトからのAl製錬(ホール・エルー法)が溶融塩電解を使う理由はここにある。

誤:電解精錬では、粗銅に含まれる不純物もすべて陰極に析出してしまう正:Fe, Niなど銅よりイオン化傾向が大きい不純物はCu²⁺として溶液中に留まり(陰極では析出しない)、Au, Agなど銅よりイオン化傾向が小さい不純物は溶けずに陽極の下に沈殿する(陽極泥)

陰極で析出するのはイオン化傾向が銅と同程度〜それより小さいイオンが優先される、という電析の選択性が高純度化のカギ。

💡 なぜ電解精錬で銅の純度が上がるのか? 陽極(粗銅)ではCuだけでなく不純物金属も酸化されて溶液に溶け出す可能性があるが、陰極での還元(析出)のしやすさはイオン化傾向によって決まる。Cu²⁺は中程度のイオン化傾向を持つため、Cuよりイオン化傾向の大きい不純物(Fe, Niなど)は溶液中にイオンのまま留まり、逆にCuより小さい不純物(Au, Agなど)は酸化されず陽極表面から剥がれ落ちて沈殿する。結果として陰極にはCuだけが選択的に析出し、高純度化が実現する。

🎯 練習問題

まず自分で解いてから、「答えを見る」を押して確かめよう。

問1 ★ 電気量

2.0 A の電流を 100 秒間流した。流れた電気量は何Cか。

答えを見る

答え200 C

電気量[C] = 電流[A] × 時間[s]。

問2 ★ 電子の物質量

9650 C の電気量は、電子何molに相当するか。ファラデー定数は 96500 C/mol とし、有効数字2桁で答えよ。

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答え0.10 mol

電子の物質量 = 電気量 ÷ ファラデー定数。

問3 ★★ 電解精錬

銅の電解精錬で、陽極に使うのはどちらか。

ア粗銅
イ純銅

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答えア

陽極の粗銅がとけ出し、陰極に純粋な銅が析出する。

問4 ★★ 金属の析出量

硫酸銅(II)水溶液を、0.50 A の電流で 7720 秒間電気分解した。陰極に析出する銅は何gか。ファラデー定数は 96500 C/mol、銅の原子量は64とする。有効数字3桁で答えよ。

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答え1.28 g

電子は 0.040 mol。Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu より、銅は 0.020 mol。

問5 ★★★ 気体の発生量

希硫酸を、2.0 A の電流で 9650 秒間電気分解した。陰極で発生する水素は、標準状態で何Lか。ファラデー定数は 96500 C/mol とする。標準状態の気体のモル体積は 22.4 L/mol とする。有効数字3桁で答えよ。

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答え2.24 L

電子は 0.20 mol。2H⁺ + 2e⁻ → H₂ より、水素は 0.10 mol。

問6 ★★★ 気体の発生量

塩化銅(II)水溶液を、5.0 A の電流で 1930 秒間電気分解した。陽極で発生する塩素は、標準状態で何Lか。ファラデー定数は 96500 C/mol とする。標準状態の気体のモル体積は 22.4 L/mol とする。有効数字3桁で答えよ。

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答え1.12 L

電子は 0.10 mol。2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻ より、塩素は 0.050 mol。

✅ この単元のまとめ

電気分解：外部電源で強制的に酸化還元反応を起こす（電池とは逆）
陽極：酸化反応（e⁻ を放出）；陰極：還元反応（e⁻ を受け取る）
ファラデーの法則：Q = It, n(e⁻) = Q/F, F ≈ 96500 C/mol(精密値96485)
電解精錬：粗銅（陽極）→ Cu²⁺ → 純銅（陰極）に析出。Au, Ag は陽極泥へ
イオン交換膜法：NaCl 電解で Cl₂, H₂, NaOH を製造（食品・医薬品用途）
Al 製錬（ホール・エルー法）：氷晶石に溶かしたAl₂O₃を溶融塩電解（水溶液では Al を得られない）

前：電池次：反応速度

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