【中学3年理科】塩酸・塩化銅水溶液・水の電気分解のポイント

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イオンと化学変化で学習する、塩酸と塩化銅水溶液の電気分解、そして水の電気分解について学習します。陽極と陰極から何が発生するのか覚えて、さらになぜその物質が出てくるのか理由まで理解しましょう。

塩酸の電気分解

塩酸の電気分解を理解するには、次の内容を順序だてて覚えていく必要があります。

  1. 塩酸は気体の塩化水素が溶質である。
  2. 塩化水素の電離のようすを理解する。
  3. 陽極と陰極での電気分解を理解する。
  4. 発生した物質の性質を理解する。

まず、第1段階として、塩酸水溶液で、気体塩化水素が水に溶けているということをしっかりと理解しておきましょう。いい方を変えると、塩酸の溶質は塩化水素であるということです。

次は、気体の塩化水素が水に溶けてどのように電離するかを覚えます。電離とは陽イオンと陰イオンに分かれることでしたね。

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塩化水素の電離

塩酸は、気体塩化水素を水に溶かしてできる水溶液です。したがって、塩酸は気体の塩化水素と水の混合物になります。まずは、塩化水素が水に溶け、電離するようすを確認しましょう。

塩化水素の電離

塩化水素の化学式はHClです。塩化水素が水に溶けると、水素原子H電子を1つ失い陽イオンである水素イオンH⁺に、塩素原子Cl電子を1つ受けとり陰イオン塩化物イオンCl⁻になります。このとき生じる水素イオンH⁺と塩化物イオンCl⁻の比は1:1になります。

このように、気体の塩化水素が水に溶け、水溶液中に水素イオンH⁺と塩化物イオンCl⁻が存在している水溶液が塩酸になります。

後で詳しく学習しますが、塩酸は酸性の水溶液です。なぜ酸性になるのかというと、水溶液中に水素イオンH⁺が存在するからです。塩化水素のように水に溶けて水素イオンH⁺が出てくると、その水溶液は酸性になるのです。

塩酸のポイント!❶塩酸の溶質は気体の塩化水素!
❷塩酸は塩化水素と水の混合物!
❸塩酸の中には水素イオンH⁺と塩化物イオンCl⁻が1:1で存在する!
❹塩酸は酸性の水溶液!酸性の正体は水素イオンH⁺

塩酸の電気分解

塩酸に電極を差し込み電流を流すと、塩酸が電気分解され、陰極から水素H₂陽極から塩素Cl₂が発生します。これは、塩酸中の陽イオンである水素イオンH⁺が陰極に、陰イオンである塩化物イオンCl⁻が陽極に引き寄せられるためです。

塩酸の電気分解

陰極から発生する水素と、陽極から発生する塩素の体積は同じですが、実際には陽極から発生する塩素の方が少なくなります。理由は、塩素が水に溶けやすいからです。発生しても塩素は水に溶けるので、実際の量よりも少なくなります。

塩酸の電気分解の化学反応式

塩酸(塩化水素の水溶液)HClを電気分解すると、陰極から水素H₂、陽極から塩素Cl₂が発生するので、次の化学反応式が書けます。

  • 塩酸→水素+塩素
  • 2HCl → H₂ + Cl₂

塩化水素の電離のようすを表す式と間違えないようしましょう。

電離式と化学反応式・電離式:HCl→H⁺+Cl⁻
・化学反応式:2HCl→H₂+Cl₂

塩酸の電気分解で発生した物質の性質

陰極からは水素、陽極からは塩素が発生しますが、それぞれ次のようにして発生した気体を調べます。

  • 水素H₂マッチの火を近づけると、爆発して水ができる。
  • 塩素Cl₂赤インクをしみ込ませたろ紙を近づけると、色が抜けて白くなる。

水素は燃える気体、塩素には漂白作用があることを利用して気体の判別を行います。あわせて、塩素の性質も覚えましょう。

塩素の性質

下の表の内容を覚えてください。

化学式 Cl₂
黄緑色
水への溶け方 よく溶ける
水溶液の性質 酸性
空気と比べた重さ 重い
集め方 下方置換法
臭い 刺激臭(プールの臭い)
その他 殺菌作用、漂白作用
塩酸の電気分解のポイント!❶陽極から塩素Cl₂、陰極から水素H₂発生!
❷塩素は水に溶けやすいので、水素よりも少なくなる!
❸塩素は漂白作用がある!

塩酸の電気分解をもっと詳しく

塩酸の電気分解をイオンの動きや、電子の受け渡しまで詳しくみていきましょう。塩酸に電流を流すと、下の図のようなイオンの移動や電子の受け渡しが行われます。

塩酸の電気分解

次のような流れで覚えておきましょう。

  1. 陰イオンである塩化物イオンCl⁻陽極に引き寄せられる。
  2. 陽極に引き寄せられた塩化物イオンCl⁻電子を電極に渡し塩素原子Clになる。
  3. 塩素原子Clが2つくっつき、塩素分子Cl₂になって発生する。
  4. 陽極に渡された電子が、導線を通って陰極に移動する。
  5. 陽イオンである水素イオンH⁺陰極に引き寄せられる。
  6. 導線を通ってやってきた電子水素イオンH⁺が受けとり、水素原子Hになる。
  7. 水素原子Hが2個くっついて水素分子H₂になって発生する。

塩酸の電気分解の確認問題

  1. 塩酸の溶質は何か。
  2. 塩酸は混合物か化合物か。
  3. 気体の塩化水素が水に溶けて電離するようすを、化学式とイオン式を使って表せ。
  4. 塩酸は何性の水溶液か。
  5. 塩酸の中に存在するイオンを2つ答えよ。
  6. 塩酸を電気分解すると、陽極からは何が発生するか。気体名を答えよ。
  7. 塩酸を電気分解すると、陰極からは何が発生するか。化学式で答えよ。
  8. 塩酸の電気分解を化学反応式で書け。
  9. 陽極から発生する気体を調べる方法と、その結果を簡潔に答えよ。
  10. 塩酸をに電流を流したとき、陰極に移動するイオンは何イオンか。

解答

  1. 塩化水素
  2. 混合物
  3. HCl→H⁺+Cl⁻
  4. 酸性
  5. H⁺、Cl⁻
  6. 塩素
  7. H₂
  8. 2HCl→H₂+Cl₂
  9. 赤インクをしみ込ませたろ紙を近づけると、色が抜けて白くなる。
  10. 水素イオン

次は、塩化銅水溶液の電気分解の学習です。

塩化銅水溶液の電気分解

塩化銅水溶液の電気分解も、塩酸の電気分解とほとんど仕組みは同じになります。次の内容を順序だてて覚えていきましょう。

  1. 塩化銅水溶液は青色の水溶液である。
  2. 塩化銅の電離のようすを理解する。
  3. 陽極と陰極での電気分解を理解する。
  4. 発生した物質の性質を理解する。

まず、第1段階として塩化銅水溶液は、固体塩化銅が水に溶けていることを理解しておきましょう。さらに、塩化銅水溶液は青色の水溶液であることも重要です。これは、後で説明する銅イオンCu²⁺の色が青色だからです。

塩化銅の電離

塩化銅水溶液は、固体塩化銅を水に溶かしたもので塩化銅水溶液の色は青色です。まずは、このときの電離のようすを見ていきましょう。

塩化銅の電離

塩化銅CuCl₂が水に溶けると、銅原子Cu電子を2つ失って銅イオンCu²⁺となります。一方の塩素原子Clの2個は、それぞれ電子1個ずつを受け取り塩化物イオンCl⁻が2個生じます。

つまり、塩化銅水溶液の中には、銅イオンCu²⁺と塩化物イオンCl⁻が1:2の割合で存在している状態になります。銅イオンCu²⁺が水溶液中にあると、水溶液の色は青色になります。

塩化銅水溶液❶青色の水溶液!青色の正体はCu²⁺
❷CuCl₂が電離して、Cu²⁺とCl⁻が1:2の割合で存在!

塩化銅水溶液の電気分解

この塩化銅水溶液に電極を差し込み、電流を流すとどうなるでしょうか。塩化銅水溶液中には、陽イオンである銅イオンCu²⁺と、陰イオンである塩化物イオンCl⁻があるので、それぞれ次のような動きをします。

  • 銅イオンCu²⁺陰極に引き寄せられる。
  • 塩化物イオンCl陽極に引き寄せられる。

塩化銅水溶液

陽イオンと陰極、陰イオンと陽極で引き合う形となります。それぞれの極に移動したイオンは次のような電子のやり取りを行います。

  • 陰極…銅イオンCu²⁺が電極から電子を2つ受けとり銅原子Cuになる。
  • 陽極…塩化物イオンCl⁻電子を1つ電極に渡し塩素原子Clに戻る。

その結果、陰極には銅が析出し、陽極からは塩素が発生するのです。このとき、塩素原子Clは2個くっついて塩素分子Cl₂になって発生します。

以上をまとめると、下の図のようになります。

塩化銅水溶液の電気分解

塩化銅水溶液の電気分解・陽極からは塩素が発生!
・陰極には銅が析出!

陰極に析出した(こびりついた)Cuは、赤褐色(赤色)をしています。金属ですので、金属の性質があります。

  • 磨くと金属光沢が出る。
  • 展性・延性がある。
  • 熱や電気をよく通す。

陽極に発生する塩素Cl₂には、次のような特徴があります。

  • 黄緑色で刺激臭(プールのにおい)。
  • 赤インクを染み込ませたろ紙を近づけると、色が抜けて白くなる(脱色)。

塩化水溶液の電気分解の化学反応式

  • 塩化銅→銅+塩素
  • CuCl₂→Cu+Cl₂

化学反応式を聞いているのか、塩化銅の電離のようすを表す式を聞いているのかをしっかりと見てください。

塩化銅の電離式と化学反応式❶電離式:CuCl₂→Cu²⁺+2Cl⁻
❷化学反応式:CuCl₂→Cu+Cl₂

塩化銅水溶液の電気分解の確認問題

  1. 塩化銅の化学式を書け。
  2. 塩化銅が水に溶けると何色の水溶液になるか。
  3. 塩化銅が水に溶け、電離するようすを化学式やイオン式で表せ。
  4. 塩化銅水溶液に電流を流すと、陽極には何が発生するか。
  5. 塩化銅水溶液に電流を流すと、陰極には何が発生するか。
  6. 塩化銅水溶液に電流を流したとき、陽極では何イオンが電子をどうしているか。
  7. 塩化銅水溶液の電気分解を進めると、水溶液の色はどうなるか。

解答

  1. CuCl₂
  2. 青色
  3. CuCl₂→Cu²⁺+2Cl⁻
  4. 塩素
  5. 塩化物イオンが電子を電極に渡している。
  6. 青色が薄くなっていく。

最後に、水の電気分解について詳しく見ていきましょう。ここは中学2年生のときに、電気分解の単元で学習済みですが、さらに詳しく学習することになります。一部発展内容が入っているので、必要な生徒のみ学習してください。

水の電気分解

まずは、中学2年生のときに学習した内容の復習です。

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:酸素=2:1になります。発生した気体の調べ方は次の通りです。

  • 水素マッチの火を近づけると爆発して水ができる。
  • 酸素線香の火を近づけると炎をあげて激しく燃える。

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、次のうちどれかを答えるといいでしょう。

  • 「純粋な水には電流が流れないから。」
  • 「水に電流を流れやすくするため。」
  • 「小さな電圧で電気分解を進めるため。」

ここまでは、学習済みですが、ここから中学3年生で学習する発展内容になります。必要な生徒のみ学習してください。

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。

陽極での変化水酸化物イオン→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水酸化物イオン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。

陰極での変化水+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が発生します。

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。

【練習問題❶】塩酸の電気分解

塩酸の電気分解問題右図は、塩酸を電気分解したようすを表した図である。これについて、次の各問いに答えなさい。

(1)塩酸の溶質は何か。名称を答えなさい。

(2)陰極に発生した気体Aを調べる方法とその結果を、陰極に発生する気体の名称を用いて、簡潔に答えなさい。

(3)陽極にたまった気体Bは、陰極にたまった気体Aよりも体積が少なくなっている。これは、気体Bにある性質があるからである。この性質を、陽極に発生する気体の名称を用いて、簡潔に答えなさい。

(4)陽極に発生する気体Bの性質として正しいものを、次のア~エから一つ選び、記号で答えなさい。
ア 空気よりも密度が小さい。
イ 水に溶けるとアルカリ性を示す。
ウ 無色透明である。
エ 赤インクをしみ込ませたろ紙を近づけると白くなる。

(5)塩酸の電気分解で起こった化学変化を、化学反応式で書け。

(6)次の文は、塩酸に電圧をかけたときのイオンの移動についてまとめたものである。文中の( )に適する語句を入れなさい。

塩酸に電圧をかけると、塩酸中の( ① )イオンが陽極に移動し、電子を( ② )いる。また、陰極には( ③ )イオンが引き寄せられ、電子を( ④ )いる。

【解答・解説❶】塩酸の電気分解

(1)塩化水素
溶質とは水に溶けている物質のことです。塩酸の溶質は塩化水素で、刺激臭がする気体です。

塩酸に溶けているもの!・塩酸には気体の塩化水素が溶けている!
・塩酸は水と塩化水素の混合物である!

(2)マッチの火を近づけると、水素が音を立てて燃える。
塩酸の電気分解で、陰極から発生する気体は水素H₂になります。水素は、マッチの火を近づけると、音を立てて燃え、燃えた後は水ができます。

水素と塩素の調べ方!・水素…マッチの火を近づけると爆発して水ができる!
・塩素…赤インクを染み込ませたろ紙を近づけると、色が抜けて白くなる!

(3)塩素は水に溶けやすいから。
塩酸の電気分解で、陽極から発生する気体は塩素Cl₂になります。陰極で発生する水素も、陽極で発生する塩素も、実は同じ体積発生しています。しかし、塩素は水に溶けやすいという性質があるので、発生した気体が水に溶け少なくなっているのです。

塩素の性質!❶黄緑色で刺激臭(プールのにおい)の気体!
❷水によく溶け、溶けると酸性を示す!
❸空気より密度が大きいので、下方置換法で集める!
❹殺菌作用・漂白作用がある!

(4)
陽極から発生する気体は塩素Cl₂には、次のような性質があります。
①黄緑色の気体
②刺激臭(プールの臭い)
③水に溶けやすく、溶けると酸性を示す
④空気よりも密度が大きい(重い)
⑤殺菌作用
⑥脱色作用

(5)2HCl→H₂+Cl₂
塩酸を電気分解すると、陰極から水素H₂陽極から塩素Cl₂が発生します。

塩酸の電気分解!塩酸の電気分解

(6)①塩化物 失って 水素 受け取って
塩化水素HClを水に溶かすと、水素イオンH⁺と塩化物イオンCl⁻に電離します。塩化物イオンはCl⁻は、マイナスの電気を帯びているので、陽極に引き寄せられ、陽極で電子を失い塩素原子に戻ります。一方の水素イオンH⁺は、プラスの電気を帯びているので、陰極に引き寄せられ、陰極で電子を受けとり水素原子に戻ります。

塩酸の電気分解

【練習問題❷】塩化銅水溶液の電気分解

塩化銅水溶液問題右図のように、フォームポリスチレンに炭素棒を差し込み、電源装置の+極とー極につなげ、ビーカー内の塩化銅水溶液を電気分解した。これについて、次の各問いに答えなさい。

(1)塩化銅を水に溶かし、塩化銅水溶液をつくるとき、塩化銅は水の中でどのように電離するか。電離のようすを化学式とイオン式を使って表せ。

(2)塩化銅水溶液に電流を流したところ、陰極には赤褐色の物質が付着してきた。また、陽極からは細かな泡が発生していた。陰極と陽極に発生した物質は何か。物質名をそれぞれ答えなさい。

(3)陽極から発生した気体を調べる方法とその結果を、簡潔に書きなさい。

(4)塩化銅水溶液の色は何色か。また、電気分解を進めていくと、水溶液の色はどうなるか、簡潔に答えなさい。

(5)次の文は、塩化銅水溶液の電気分解についてまとめたものである。文中の( )に適する語句を入れなさい。

塩化銅水溶液に電流を流すと、陽極では( ① )イオンが電子を( ② )、陰極では( ③ )イオンが電子を( ④ )いる。

(6)塩化銅水溶液の電気分解のようすを化学反応式で書け。

【解答・解説❷】塩化銅水溶液の電気分解

(1)CuCl₂→Cu²⁺+2Cl⁻
塩化銅の化学式はCuCl₂です。塩化銅は電解質なので、水に溶かすと電離し、銅イオンCu²⁺1個と塩化物イオンCl⁻2個に電離します。

塩化銅の電離塩化銅の電離

(2)陰極: 陽極:塩素
塩化銅水溶液中の陽イオンである銅イオンCu²⁺が陰極に引き寄せられ、電子を2個受け取って銅原子Cuに戻り、陰極に付着します。一方の陰イオンである塩化物イオンCl⁻は陽極に引き寄せられ、電子を1個失って塩素原子Clになり、塩素原子が2個結びついて塩素分子Cl₂となって発生します。

塩化銅水溶液の電気分解・陽極から塩素が発生!
・陰極には銅が析出!

(3)赤インクをしみ込ませたろ紙を近づけると、色が抜けて白くなる。
陽極から発生する気体は塩素Cl2です。塩素には脱色作用があるので、インクをしみ込ませたろ紙を白くするはたらきがあります。

塩素の性質❶黄緑色の気体で刺激臭(プールのにおい)!
❷水に溶けやすく、水に溶けると酸性を示す!
❸空気より密度が大きいので下方置換法で集める!
❹有毒なので換気を十分に行う!
❺赤インクを染み込ませたろ紙を近づけると色が抜けて白くなる(脱色作用)!

(4)塩化銅水溶液の色: 色の変化:うすくなっていく。
塩化銅水溶液の中には、銅イオンCu²⁺が存在します。銅イオンは青色を示します。また、電気文化を進めていくと、銅イオンが銅原子に変化していくので青色はうすくなっていきます。

塩化銅水溶液の電気分解を進めると❶青色がうすくなる→水溶液中のCu²⁺が減少するから
❷電流が流れにくくなる→水溶液中のイオン(Cu²⁺とCl⁻)が減少するから

(5)①塩化物 ②失い ③ ④受けとって
塩化銅水溶液中の陽イオンである銅イオンCu²⁺が陰極に引き寄せられ、電子を2個受け取って銅原子に戻り、陰極に付着します。一方の陰イオンである塩化物イオンCl⁻は陽極に引き寄せられ、電子を1個失って塩素原子になり、塩素原子が2個結びついて気体となって発生します。

(6)CuCl₂→Cu+Cl₂
塩化銅水溶液に電流を流すと、銅と塩素に電気分解されます。塩化銅の化学式がCuCl2であることに注意しましょう。

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