中3理科「水の電気分解」イオンのや電子のやり取りまでの発展内容

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水の電気分解は中学2年の化学変化で学習しましたが、今回はこのときのイオンの動きや電子のやり取りまで見ていきます。発展内容になりますので、必要ではない場合は飛ばしてください。

水の電気分解の復習

水酸化ナトリウムを溶かした水を簡易電気分解装置に入れ電流を流すと、陽極から酸素O2、陰極から水素H2が発生します。このように電流を流し、物質を分解する操作を電気分解といいます。

  • 水→水素+酸素
    2H2O→2H2+O2

水の電気分解

このとき、発生する気体の体積の比は、水素H2:酸素O2=2:1 になります。発生した気体の調べ方は次の通りです。

  • 水素H2
    マッチの火を近づけると爆発して水ができる。
  • 酸素O2
    線香の火を近づけると炎をあげて激しく燃える。
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水酸化ナトリウムをとかす理由

水の電気分解をする前に、水に水酸化ナトリウムをとかす理由は、純粋な水には電流が流れないからです。水に水酸化ナトリウムをとかすことで、電流が流れやすくなるのです。

なぜ、水酸化ナトリウムを水に溶かすのか聞かれた場合は、次のように答えるといいでしょう。「小さな電圧で電気分解を進めるため」です。

水の電気分解をもっと詳しく

水の電気分解を行っているとき、水溶液中のイオンや分子はどのように移動しているのでしょうか。水を電気分解するために、水酸化ナトリウム水溶液を水に溶かしました。したがって、水酸化ナトリウムNaOHが電離して、次のようなイオンがあります。

  • 水酸化ナトリウム→ナトリウムイオン+水酸化物イオン
    NaOH→Na++OH

陽極での変化

水酸化ナトリウムを溶かした水を電気分解しているとき、陽極では次のような反応が起こっています。

  • 水酸化物イオン→酸素+水+電子
    4OH→O2+2H2O+4e

水溶液中にあるイオンはNaとOHです。陽極に引き寄せられるのは、マイナスの電気を帯びたOHになります。

陽極に引き寄せられた水酸化物イオンOHは陽極に電子eを渡し、酸素と水が発生します。電子は導線を通って陰極の方に移動します。

陰極での変化

水酸化ナトリウムを溶かし水を電気分解しているとき、陰極では次のような反応が起こっています。

  • 水+電子→水素+水酸化物イオン
    4H2O+4e→2H2+4OH

導線を通って移動してきた電子が陰極にたまります。水溶液中にあるナトリウムイオンNa+はイオン化傾向が大きく、非常に電子を受けとりにくいイオンです。なので、水H2Oが陰極から電子を受けとって水素を発生します。

水の電気分解の化学反応式

上記の2つの式を足し合わせてみると、

4OH→O2+2H2O+4e + 4H2O+4e→2H2+4OH

2H2O→2H2+O2

となります。

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