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
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電極反応とファラデーの法則
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。電源の陽極側につないだ電極（陽極）で酸化、陰極側（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
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電解精錬と工業電解
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） |
✅ 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
- 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：溶融 Al₂O₃ を電解（水溶液では Al を得られない）
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