電気分解の反応式の覚え方!水の電気分解ってこういう事!?

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受験化学コーチわたなべ
ども、わたなべです!

 

電気分解は酸化還元の

応用問題です。

電気分解って聞いただけで、

悪寒が走る、

何これ覚える事大杉蓮w

 

って言う受験生が多い。

 

 

だから今回は、

可能な限り覚えやすく、

覚える価値のある覚え方を

あなたにインストールしていく。

電気分解

受験って勉強する事が多いから、

丸暗記しているものは、

他の勉強をしている間に

バンバン消えている。

置き引き

丸暗記した知識は置き引きされやすい。

 

置き引きされると面倒、

盗まれたキャッシュカードを

止めるかのごとく、

 

思い出して元の状態にするのに

メチャクチャ時間がかかる

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まだ置き引きされた事に

気付いた人はいいが、

気付かず、入試に行って、

そこで初めて気付く人も居る。

電気分解

こんな事になっては行けないので、

電気分解でもきっちり

覚えやすい形で覚えておこう!

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電気分解とは?

まず電気分解って何か?

これは酸化還元の応用問題!

 

酸化還元の定義は

酸化還元反応 定義

酸化還元反応 定義

この図が表しているものが

最重要だった!

酸化還元の最重要定義!学校では教えてくれない受験テクとは?

電池と電気分解で電気化学

と言われる分野だが、

 

これらは酸化還元反応の応用だから

もちろん、酸化還元の知識が基礎となる。

 

 

電気分解は直流電源から

電気を流してその電気のエネルギーで

吸熱的に』起こす

酸化還元反応の事です。

 

どういう事かと言うと、

吸熱だから、熱を受け取りエネルギーの高いところに行くのでした。

ですがエネルギーが高いと、不安定と言うのはこちらの記事でお話ししました。

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本来下のエネルギーの場所に居たいのに、

電気を流してエネルギーを与えて、

無理やり上に上がってもらう。

 

それが!電気分解の正体

 

 

このように、

エネルギーを受けて高いエネルギー状態になるのは、自然界に取ってうれしくないこと。

 

そしてエネルギー図の作り方を

説明したこの記事。

ヘスの法則で熱化学方程式を解く超体系的エネルギー図法!

バラバラになるほどエネルギーが高い

って言った。

 

 

うん、

今回の内容の名前思い出して、

電気分解』だぜ。

 

もうバラバラにします宣言をすましちゃってる

 

そりゃエネルギー使いそうだな!

ってセンスのいい高校生は、

思っちゃってほしい。

 

 

だから、電気エネルギーを与えてあげる必要があるんだ。

 

電気分解攻略へのステップ

電気分解は新しい3つの事を覚えれば、

その後は、普通に酸化還元の問題に

帰着する事が出来る。

 

この3つのステップを守れば、

基礎が出来ていれば

まず解けない問題は無いはず。

 

だから絶対にこの記事を、

舐め回すように見てほしい

 

 

でも、この記事をテキトウに

チョコバットとかモッサモサ

食いながら見てると、

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入試本番で大変な目にあうよ。

 

そうなりたくなければ、

マジでチョコバットは捨てて、

スマホに集中した方がいい。

音楽も止めよう。

 

いい?

 

 

この電気分解の攻略に必要な③ステップとは、

 

 

ステップ1:陰極・陽極を決定する

ステップ2:必ず電解槽を含んだ回路図を描き、電子の流れる方向の矢印を書く

ステップ3:陰極・陽極における反応の序列反応式を覚える。

 

 

この3つ。

この3つをキッチリ意識して解けば、確実に問題は解ける

 

 

それではこのステップを1個ずつ解説して行きたい。

 

ステップ1 陰極・陽極を決定

 

そして電池を思い出してほしい、

電池の負極から電子が出される。

 

つまり負極は還元剤、

正極は酸化剤って言う風に

お話しした。

 

そして電気分解の極板も

この電池と大きく関わっている。

 

というか電源って電池のことだから、

 

図を見たら分かるけど、

正極とつなぐ極板を『陽極』、

負極とつなぐ極板を『陰極』って言う。

電池 電気分解 極板 陽極陰極

正と陽って同じ意味っぽいし、

負と陰って似た意味だから

今回はメチャクチャ覚えやすいはず。

 

この図に書いてあるように

点線で囲まれているもの全体が

+、ーだと認識する。

 

ステップ2 電子の流れる方向を記す

このステップ2がめちゃくちゃ大事。

多くの人がアホみたいに

 

酸化が起こる極板、と電池の極、

還元が起こる極板と電池の極

 

とかを丸暗記しようとする。

そんなアホな事もうやめよ。

 

アホやから、俺が教えたように

酸化還元反応 定義

酸化還元反応 定義

まじでこの定義当てはめたら

おわりやからさ、暗記はやめよ。

どうせちょっとむずい国立大やったら

通用せえへんから。

 

 

で、実際どういう図を書けばいいかと言うと下のような図を書けってこと。

電気分解 覚え方
この矢印書いたら負極が還元剤やから陰極が還元される。

 

 

逆に陰極は電子を受け取るから酸化剤。

ってことは負極は酸化されるってめっちゃ簡単に分かるやろ。

 

 

これで解いた方がええ。

丸暗記は頭ごちゃごちゃになって爆発して死んじゃうから笑

 

 

必ず回路図を記し、電池(電源)の負極から正極へe

が流れる流れを太線のように矢印で記すこと。

 

なんでかって言うと、電池のときは、負極が還元剤、正極が酸化剤って覚えたと思うけど、

 

 

そう思うとなんか似てる陰極は還元剤なんかな?とか思ってしまう。

 

でもこの図を書いたら分かる通り、全然酸化剤の反応をしているわけ。陰極は負極と違って電子を受け取る側。

 

 

eがやってくる陰極では、

水溶液中の陽イオンが

eを吸熱的に得る反応が起こる。

 

Mn+aq+ne+QkJ=M(Q>0kJつまり、吸熱反応)

 

eの出所になる陽極では、電極もしくは溶液中の物質がeを吸熱的に出す反応が起きる。

電池の負極ではeを放出する

酸化反応が起こるけど、

陰極は溶液中のMn+-を得る

還元反応が起こる。

 

 

電池の正極ではeを得る

還元反応が起こるが、

陽極はeを放電する酸化反応が起こる

 

 

同じ反応をするなら別に陽極と正極みたいに名前を同じにすればいいけど、実際は反応が逆になる。

 

 

だから、違う名前にして同じ反応は起こりませんよって知らせてくれてる。

 

 

必ず、陽極自体が放電している反応を忘れないでほしい。だからこの図は陽極から電子が流れている事が分かるだろう。

 

この図を書いた時点で確実に陽極の材質に目がいく。

 

だって陽極から電子の矢印が出てるんだから。

 

また陰極を見ると、

電子の矢印がちゃんと水溶液まで届いているのが分かるはず。これは、極板は別に反応しなくていいんだよってことを表している。

電気分解 覚え方

極板が反応するのではなく、水溶液中のイオンが反応すると覚える事が出来る。

 

まとめるとこの図をちゃんと書ける事で、陽極は、金属の時はその極板が反応する。陰極は極板ではなく水溶液中の物が反応する。と覚えられる。

 

実際陽極ももうちょっとおぼえることがあるけど、大事なのは極板によって反応が変わると言う事。

 

この図を書ければ極板に着目するという観点は得られるはず。

 

だから陽極から電子が飛び出してる矢印図がメチャクチャ大事。ていうか俺が書いた方がいいって事ちゃんと実践しよう。これ説明のために図書いてるわけじゃないから。

 

問題を解くときに絶対に書いてほしいから言ってるわけ。

ステップ3 陰極・陽極に置ける反応の序列、反応式を覚える

陰極と陽極では反応が違うのでそれぞれで別の序列が存在している。

陰極に置ける反応の序列、反応式

先の画像を見てみよう。

電気分解 覚え方
これを見たら陰極は電子を吸熱的に得る反応が起きてる。

 

つまり、みんな電子なんてあわよくば受け取りたくない。でもエネルギーやるから受け取ってくれと言うのが電気分解の陰極の反応。

そりゃ電子はみんな基本的には受け取りたくないけど、その中でも

まあ、最悪俺が受け取ってもいいかな

っていうやつがいる。

 

金に目がくらんだやつって感じ。

「電子が嫌い」って言う信念が

弱い奴。

 

それがよくわかるのが、

『イオン化傾向』。

これが電気分解用のイオン化傾向の表。

そしてこの表で見てほしいのは、キッチリブロックに別れていると言う事。

このブロックごとに反応の仕方が変わる。

イオン化傾向 Li (リ)K(カ)Ba(バー)Sr(する)Ca(か)Na(な)Mg(マガ) Al(アル)

 

陰極の反応 水溶液でMn+はe-を得ない

→Mn+はeを得るには

融解塩電解するしかない

 

この区間の金属は名前の

語尾が全て〜ium

 

→○○iumと名のつくMn+

は水溶液でMn+はe

受け取らない。

と覚えよう!

 

Mn(マン) Zn(あ) Cr(黒柳) Fe(てっ)Co(こ)Ni(に)Sn(すん)Pb(な) H(ひ)
電圧・濃度・電極の

種類によって、H+と共に

Mn+もeを得る。

Cu(ど)Hg(す)Ag(ぎる)
水溶液で

Ag>Cu>HのMn+順に

eを得る

 

Pt(借)Au(金)
水中でMn+が普通

存在しない。

イオン化傾向ってイオンになりやすさ、

つまり電子が嫌いなほど左に並べられる。

 

左に居る奴ほど、意思がつよくてどんな事をしても電子は嫌い。嫌いな物は嫌い。

これを逆手に取ればいい

 

つまり、

イオン化傾向の右側に居る奴らは

(このイオン化傾向の表は、

長くなりすぎるから

縦のブロックに別れているため

一番下の事)

 

いやいややけども割とエネルギーさえ上げれば電子を

受け取ってくれると考えられる。

 

すき家のバイトの大学生みたいな感じ。嫌なのに、金がいいからやるみたいな。やりたくない事への信念が弱い。金で揺らいじゃう。今回はエネルギーだけど。

落ちこぼれ受験生のしょうご
そうか、じゃあ一番右の

PtとかAuが陰極に

なりやすいんですね。

受験化学コーチわたなべ
まあ考え方としては

合ってる。

でも、こいつらは逆に

イオン化しないから

水溶液にならない。

そう、Pt、Auはもうすでに電子持っちゃってる。金貰っても電子受け取れない。

だから、その1つ手前のブロックが陰極で反応する

基本的には、水溶液中での陽イオンが嫌いなイオン化傾向の逆順の陽イオン順にeを受け取る。

AuとPtは水溶液中での陽イオンにならない、水溶液中では[AuCl4]、[PtCl4]etcの錯イオンになるなどしないと、水溶液中で陽イオンが存在できない。

 

陽イオンが水溶液中にいない以上、水溶液中でeを得る反応はあり得ない!

この論理わかるよね

もう一度図を見てみよう。

しつこいけどマジでこの図が大事。

電気分解 覚え方
この図をみたら陰極は

矢印が極板で止まらずに、

水中までいってる。

 

だから、これは水中のイオンが反応する事を表している。それやのに、水に溶けられへん物質が反応するわけないよね。こういう論理。

 

イオン化傾向Mn~Pbの陽イオンは水溶液の温度・電圧・電極の水素過電圧いかんで水の電離で生じるH+と競合しながらeを得る。

 

しかし、水素過電圧等の条件が高校化学の範疇を超えるので、出題される事はまずあり得ない。

※水素過電圧:電極表面で2H++2e→H2の反応が起こるときの1Cの活性化エネルギーのこと!水素過電圧が大きい金属では、電極表面で2H++2e→H2の反応は起こりにくい!

水素過電圧のデータ
上表のように、電極を白金(正確には白金黒=極めて微小な粒子からなる黒色白金粉。極めて大きい表面積(20~40m2/g)をm等のが特色で、気体を吸着する力が強い0なら電極表面で2H++2e→H2の反応がかなり起こりやすい事は覚えておこう!

 

そして

イオン化傾向 Li (リ)K(カ)Ba(バー)Sr(する)Ca(か)Na(な)Mg(マガ) Al(アル)

 

陰極の反応 水溶液でMn+はe-を得ない

→Mn+はeを得るには

融解塩電解するしかない

 

→この区間の金属は名前の

語尾が全て〜ium

 

→○○iumと名のつくMn+

は水溶液でMn+はe

受け取らない。

と覚えよう

Mn(マン) Zn(あ) Cr(黒柳) Fe(てっ)Co(こ)Ni(に)Sn(すん)Pb(な) H(ひ)
電圧・濃度・電極の

種類によって、H+と共に

Mn+もeを得る。

Cu(ど)Hg(す)Ag(ぎる)
水溶液で

Ag>Cu>HのMn+順に

eを得る

Pt(借)Au(金)
水中でMn+が普通

存在しない。

イオン化傾向Li~Alつまり、一番上のブロック

(これは横幅的に収まらないので、

縦にイオン化傾向を

分けている)

 

この陽イオンは水溶液中の水和陽イオンの状態が大好き。これは電気陰性度とかもう学んでるイケてる高校生は分かると思うけど、金属元素は基本的に電子が好きじゃない。

 

イオン結合って金属と非金属の結合がほとんどだよね。だから、なるべくLi~Alは電子を受け取るのをひどく拒む。だからLi~Alが水溶液中でeを受け取る事はまずあり得ない。と思っていい。

だから、代わりに水の電離で生じたH+がeを受け取る。

ていうかLi~Alって名前の語尾が全部〜ium(イウム)になっている。iumって陽イオンって言う意味。

 

だからこれを電気分解の陰極の反応の指標にすると言う全く新しい使い方が出来る!

イオン化傾向Li~Alは全てその語尾が〜ium。iumと名前がつくくMn+は水溶液でMn+はeを得ずと覚えておこう。

水溶液の電気分解で陰極で陽イオンがeを得る反応をまとめて覚えておこう!

陰極の反応まとめ

このまとめは絶対にノートに書いておいて。

絶対板書だから。

板書しないと、ヤバい事になるから。

陰極は、Ag+>Cu2+>H+の順にeを得る。語尾が~iumのMn+は水溶液ではeを得る事はない。

陽極に置ける反応の序列、反応式

先ほど言ったように陽極では、電極もしくは溶液中の物質がeを吸熱的に出す反応が起きる。だから無理やり酸化される。つまり無理矢理還元剤を演じさせられる。

 

まず、金属を用いた陽極電極自体(Mと記す)が吸熱的に放電する反応が起こる。

M+QkJ=Mn+aq+ne(Q>0kJ つまり吸熱反応)

しかし、電極がイオン化傾向の低いPt・Auと共有結合結晶である黒鉛ならeを放置しない。

(※黒鉛は、融解塩電解で非常に温度が高くなったとき、燃焼しながら放電する事もあるので注意!)

陰極電極がPt・Au・常温の黒鉛なら電極自体は放電せず、溶液中のハロゲン陰イオンXが放電する。

陰極電極がPt・Auと常温の黒鉛で溶液中にハロゲン陰イオンXも無いなら、水の電離で生じるOHが放電する。水溶液の電気分解で陽極が放電する反応を下にまとめる!

陽極の反応まとめ

この陽極の反応まとめもちゃんと書いておかないと絶対にミスるから。世の中の電気分解のノウハウはメチャクチャ暗記させて入試の弊害になっちゃうから。

絶対にこの方法で問題を解いて行かないとダメだから。

電気分解 陽極の反応

電気分解の注意点

eの流れる矢印の書き方に注意!

さきほどから何回も言ってるけど、電気分解の解法ステップ②のeの流れを矢印で書く書くと言うテクニックだけど、

電気分解 覚え方
陽極から電子が出ている事に注意してほしい。

電子からというところ!

つまり基本的に陽極が反応すると言う事。

 

陽極が金属ではなく、Pt・Au・常温の炭素のときだけ、溶液から電子を出してくれる人を探すと言うこと。

本当に多い間違え方だけど陽極自体の放電反応をメチャクチャ忘れる奴が多い。前働いていた塾でここを強調しなかったため、塾生がめちゃくちゃここで間違えていた。

 

基本的に陽極が反応をするということをメチャクチャ大事やから!

そしてこのことを間違わないようにするためにこの受験テクニックを使っている。

 

つまり、

電気分解 矢印

 

この矢印は陽極の上から矢印を書いている。

つまり、陽極の金属の材質を気にすると言う習慣がつく。

だからこの図を書けと言っている。

H+がeを受け取る反応では溶液の液性に注意する

H+がeを受け取るときには、水溶液の液性(強酸or中性and塩基性)に注意する。

溶液が強酸性ならH+がeを得る式でいい。だって元々酸性だからH+がそこら中に有る。

中性塩基性ならH+がその辺にいない。ではどこでH+調達するか?それはH2Oから奪うと言う結論にいたる。

 

H2Oの電離のHを使えばいい。H2Oがeを得る式にする。

まとめると、

強酸 2H++2e→H2

中性・塩基性 2H2O+2e→H2+2OH

→e:OHが1:1のmol比で生成する。

水溶液が中性・塩基性で上記の反応でeを得るに従って、水溶液は塩基性になる。

OHが放電する反応でも溶液の液性に注意する。

OHが放電する反応でも、水溶液の液性(SBか、中性・酸性か)に留意せよ。

溶液が強塩基性ならOHが放電する式でいい。なぜならさっきの強酸と同じだが、強塩基ならOHがいっぱいあるから。

 

でも、中性・酸性ならOHはそこら中にない。だからH2Oの電離からいただく事になる。H2Oが放電式にする。

まとめると

強塩基性 4OH→O2+4e+2H2O

中性・酸性 2H2O→O2+4e+4H+

→e:H+が1:1のmol比で生成。

水溶液が中性・酸性で蒸気の反応で放電するに従って、水溶液は酸性になる。

直列回路と並列回路のeの違い

直列回路

直列回路は回路を流れるeのmol数は同じ。

電気分解 直列回路

並列回路

並列回路は、回路全体を流れるeのモル数は各電解槽を流れるeのmol数の和が回路を流れるeのmol数。

電気分解 並列回路

 

 

かなり長い記事になってしまったけれど、

これでもはや電気分解は完全に

大丈夫。

 

電気分解の場合この記事の知識のみで

十分入試問題が解けるので、

早速重要問題集でも開いて

解いてみてくれ。

 

それでは!

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