水の電気分解シミュレーション

この実験について

水に電流を流すと、水は元素に分解されます。ホフマン電解計では、気体が目盛り付きの2本の管に集まります。水素は負極の上に、酸素は正極の上に集まり、水素の量は常に酸素の約2倍です。電圧を上げたり、溶液を変えたり、万能指示薬を加えて電極で酸やアルカリができる様子を確かめたりしましょう。また、それぞれの気体を燃えさしで調べてみましょう。

学習目標

水を電気分解したとき、陰極と陽極で生じる物質を特定する
水素の体積が酸素の体積の2倍になる理由を説明する
純水に硫酸ナトリウムなどの電解質を加えなければならない理由を説明する
各電極での半反応式を書く
ファラデー定数を使って、電流と時間から気体の体積を計算する

使い方

1純水を選び、6 Vで電源を入れます。電流について何に気づきますか？次に、硫酸ナトリウム水溶液を選びます。
2数分間、気体を集めます。両方の管の目盛りを読み、体積を比べます。
3各管の気体を火のついた木片で確かめてください。ポンと音を立てて燃える気体と、火の消えかかった木片を再び燃え上がらせる気体はどれですか？
4万能指示薬を加えたとき、それぞれの電極付近の色を説明してください。それぞれの電極でどのイオンが生じますか？
5電圧を段階的に下げてください。気体が発生しなくなる電圧を見つけてください。
6流れた電気量から電子の物質量を計算し、次に 1 mol あたり 24 L として水素の体積を求めてください。管の中の気体の量と照らし合わせてください。

モデル

2 H_{2} O (l) \to 2 H_{2} (g) + O_{2} (g)

全体の反応

cathode: 4 H_{2} O + 4 e^{-} \to 2 H_{2} + 4 OH^{-} anode: 2 H_{2} O \to O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-}

中性溶液中での半反応式

Q = I t, n (e^{-}) = \frac{Q}{F}, F = 96485 C/mol

電気量と電子の物質量

n (H_{2}) = \frac{n ( e ^{-} )}{2}, n (O_{2}) = \frac{n ( e ^{-} )}{4}

電子 1 mol あたりに生成する気体

V = n \times 24 L/mol

室温・大気圧での気体の体積

前提条件

気体が発生するのは約 1.8 V を超えてからです。反応に必要な最低電圧は 1.23 V ですが、気泡を発生させるには電極に追加の電圧（過電圧）が必要です。
それを超えると、電流は溶液の抵抗によって決まり、その抵抗は電解質によって異なります。純水にはイオンがほとんどなく、電気をほとんど通しません。
電子はすべて気体の生成に使われ（電流効率 100 %）、気体は水に溶けないものとします。体積は 20 °C、101.3 kPa での値です。
硫酸ナトリウム、硫酸、水酸化ナトリウムは電流を通すだけです。それらのイオンは放電しないため、生成物は常に水素と酸素です。
時間の進み方を速くしています。6 Vでは、水素を集める管は実時間で約10分でいっぱいになります。

授業で試してみましょう

Q10.5 Aの電流を10分間流します。水素と酸素はそれぞれどれだけの体積が集まりますか？
Q2なぜ陰極の近くでは指示薬が紫色に、陽極の近くでは赤色になるのでしょうか？
Q3実際の電量計では、酸素の体積は水素の体積の半分より少し小さいことがよくあります。その理由を考えてみましょう。
Q4この実験では、なぜ塩化ナトリウム水溶液を電解質として使うのは適切でないのでしょうか？
Q5電流が2 Aのとき、水素を1リットル集めるにはどれくらいの時間がかかりますか？

よくある質問

反応しないのに、なぜ硫酸ナトリウムを加えるのでしょうか？

純水に含まれるH⁺イオンとOH⁻イオンはごくわずかなので、電気をほとんど通しません。硫酸ナトリウムを加えると、溶液中に電流を運ぶイオンが十分に増えます。一方、電極で酸化・還元されるのは、引き続き水そのものです。

なぜ体積比は2：1なのでしょうか？

水素分子1個につき電子を2個必要とし、酸素分子1個につき電子を4個放出します。両方の電極を流れる電子の数は同じなので、生成する水素分子の数は酸素分子の2倍になります。アボガドロの法則により、同じ数の気体分子は同じ体積を占めるため、体積は2倍になります。

塩化ナトリウム水溶液では何が起こりますか？

特に濃い溶液では、水の代わりに塩化物イオンが陽極で酸化され、有毒な塩素ガスが発生します。陰極では引き続き水素が発生します。これは産業で用いられるクロル・アルカリ法であり、安全な教室での実験ではありません。