第12章 電池と電気分解

電気分解の原理

電池が「自発的な酸化還元反応から電気を取り出す」装置であるのに対し、電気分解は正反対です。
外部から電気エネルギーを与えることで、自然には起こらない酸化還元反応を強制的に引き起こします。
「陰極・陽極で何が起こるか」の決まり方を、イオン化傾向と電極の種類から整理しましょう。

1電気分解の原理

電解質水溶液(または融解した電解質)に電極を浸し、外部の電源(電池)に接続して直流電流を通じると、電極表面で酸化還元反応が起こります。このように電気エネルギーを利用して酸化還元反応を引き起こす操作電気分解(電解)といいます。

電池 vs 電気分解 ── 「自発」か「強制」か

電池:自発的な酸化還元反応が起こり、そのエネルギーが電気として取り出される(化学エネルギー → 電気エネルギー)。

電気分解:外部から電気エネルギーを与えて、自発的には起こらない反応を強制的に引き起こす(電気エネルギー → 化学エネルギー)。

陰極と陽極の定義

電気分解では電源の極性によって電極の役割が決まります。

  • 陰極(cathode):電源の負極に接続した電極。電子が流れ込み、還元反応が起こる。
  • 陽極(anode):電源の正極に接続した電極。電子が流れ出し、酸化反応が起こる。
落とし穴:電池の負極と陰極は「別物」

電池では「負極で酸化、正極で還元」が起こります(自発的に電子を放出するのが負極)。電気分解では「陰極で還元、陽極で酸化」です(電子が流れ込む側で還元)。用語を混同しないよう注意してください。「陰極=還元」「陽極=酸化」と覚えてしまうのが最もシンプルです。

2陽極・陰極での反応の決まり方

陰極での反応 ── イオン化傾向の小さいものから還元される

陰極では溶液中の陽イオンや水分子が電子を受け取ります(還元)。イオン化傾向が小さい(陽イオンになりにくい=単体に戻りやすい)ものほど、先に還元されるという原則があります。

陰極での反応条件・例
金属イオン(Cu2+、Ag+ など)が金属として析出Cu2+、Ag+、Ni2+ など(イオン化傾向が中程度以下)
H+ が還元されて H2 が発生酸性水溶液 / 金属イオンがない場合
H2O が還元されて H2 と OH が生成中性・塩基性水溶液でイオン化傾向の大きい金属(Na+、K+、Al3+ 等)しかない場合
Li+、Na+、Al3+ は水溶液の電気分解では析出しないのはなぜか
これらの金属はイオン化傾向が非常に大きい(単体がイオンに「なりたがっている」)
陰極で電子を与えても、水(H2O)の方が先に還元されてしまう
金属として析出するためには溶融塩電解(水を使わない電解)が必要

陽極での反応 ── 電極の種類で大きく変わる

陽極では電極の素材が反応を大きく左右します。

不活性電極(白金 Pt、炭素 C)の場合

電極自身は反応せず、溶液中の陰イオンや水分子が電子を放出します(酸化)。

溶液中の陰イオン陽極での反応優先度
Cl、Br、I(ハロゲン化物イオン)2Cl → Cl2 + 2e など(ハロゲン単体が発生)
OH(塩基性水溶液)4OH → 2H2O + O2 + 4e(O2 が発生)
H2O(中性・酸性水溶液)2H2O → O2 + 4H+ + 4e(O2 が発生)
SO42−、NO3酸化されない(H2O や OH が代わりに反応)
SO42− と NO3 が酸化されない理由

硫酸イオン SO42− や硝酸イオン NO3 はすでに S や N の酸化数が高い(それぞれ +6、+5)状態にあり、これ以上酸化されにくい状態です。そのため、水溶液の電気分解では陽極でこれらのイオンは反応せず、代わりに水分子や OH が酸化されます。

活性電極(Cu、Ag などの金属電極)の場合

電極自身が酸化されて陽イオンとして溶け出します。この場合、溶液中の陰イオンは関係なく、電極金属が優先して反応します。

Cu → Cu2+ + 2e

Ag → Ag+ + e

活性電極の代表例が銅の電解精錬です。粗銅板(陽極)が溶け出し、純銅板(陰極)に純粋な銅が析出します。

3代表的な電気分解

CuSO4 水溶液の電気分解

白金(Pt)電極の場合(不活性電極):

水溶液中には Cu2+、SO42−、H2O が存在します。

陰極:Cu2+ + 2e → Cu(銅が析出)

陽極:2H2O → O2 + 4H+ + 4e(SO42− は酸化されないため水が反応)

結果として Cu2+ が減少し、H2SO4(希硫酸)の濃度が増加します。

銅(Cu)電極の場合(活性電極):

陰極:Cu2+ + 2e → Cu(銅が析出)

陽極:Cu → Cu2+ + 2e(陽極の銅が溶け出す)

陽極から溶け出した Cu2+ が陰極で析出するため、溶液中の Cu2+ 濃度はほぼ変化しません。これが銅の電解精錬の原理です。

NaCl 水溶液の電気分解

工業的にも重要な反応です(塩化ナトリウムの工業的利用)。水溶液中には Na+、Cl、H2O が存在します。

陰極:2H2O + 2e → H2 + 2OH(Na+ は還元されず水が反応)

陽極:2Cl → Cl2 + 2e(Cl が優先して酸化される)

結果として、NaCl が消費され Na+ と OH が増加します。すなわち、NaOH(水酸化ナトリウム)が生成します。工業的にはイオン交換膜法でこの反応を利用します(NaOH と Cl2 を混合させないため)。

H2SO4 水溶液(希硫酸)の電気分解

白金電極を使用。水溶液中には H+、SO42−、H2O が存在します。

陰極:2H+ + 2e → H2(水素が発生)

陽極:2H2O → O2 + 4H+ + 4e(SO42− は酸化されない)

全体:2H2O → 2H2 + O2(水の電気分解)

希硫酸・NaOH 水溶液・純水(電導性を得るため電解質を加えた場合)の電気分解はすべて実質「水の電気分解」であり、H2 と O2 が 2:1 の体積比で発生します。

溶融塩電解(融解塩電解)── NaCl 融解液

イオン化傾向の大きい金属(Na、K、Al など)は、水溶液中では金属として析出できません。そこで、塩や酸化物を加熱融解させ(水なし)、融解したイオン液体を電気分解します。これを溶融塩電解(融解塩電解)といいます。

NaCl の融解液を電気分解する場合:

陰極:Na+ + e → Na(ナトリウム金属が析出)

陽極:2Cl → Cl2 + 2e(塩素が発生)

発展:アルミニウムの製法(ホール・エルー法)大学入試

Al2O3(酸化アルミニウム、融点約 2050℃)をそのまま融解することは困難です。工業的には融点を下げるためにアルミナを氷晶石(Na3AlF6)に溶解し、約 950℃ で電気分解します(ホール・エルー法)。陰極にアルミニウムが析出し、陽極の炭素電極は CO2 として消耗します。

主要な電気分解の反応一覧

電解液電極陰極陽極
CuSO4 水溶液Pt(不活性)Cu が析出O2 が発生
CuSO4 水溶液Cu(活性)Cu が析出Cu が溶け出す
NaCl 水溶液Pt(不活性)H2 が発生・OH 生成Cl2 が発生
H2SO4 水溶液Pt(不活性)H2 が発生O2 が発生
NaCl 融解液(溶融塩)炭素(不活性)Na が析出Cl2 が発生
AgNO3 水溶液Pt(不活性)Ag が析出O2 が発生

4この節を俯瞰する

電気分解の原理は化学の多くの分野と結びついています。

  • 電池との対比 → 12-1・12-2「電池の基礎」:電池が「自発反応 → 電気」であるのに対し、電気分解は「電気 → 非自発反応」。陰極/陽極の定義を電池の正極/負極と混同しないよう。
  • イオン化傾向 → 6-3「イオン化傾向」:陰極で何が先に析出するかはイオン化傾向の大小に依存。Na、K、Al が水溶液では析出しない理由もイオン化傾向で説明できる。
  • 酸化還元反応 → 6-1〜6-2:陽極での反応優先順位(ハロゲン化物イオン → OH/H2O)は、各物質の酸化されやすさの序列を反映している。
  • 工業的応用 → 各元素の製法:NaOH の工業的製法(イオン交換膜法)、銅の電解精錬、Al のホール・エルー法はすべてここで学ぶ原理の応用。
  • ファラデーの法則 → 12-4「ファラデーの法則と計算」:電気分解の量的関係(析出量・発生気体量の計算)は次節で詳しく扱う。

5まとめ

  • 電気分解:外部電気エネルギーで非自発的な酸化還元反応を強制的に起こす操作
  • 陰極(電源の負極側)→ 還元反応が起こる
  • 陽極(電源の正極側)→ 酸化反応が起こる
  • 陰極:イオン化傾向の小さいものから先に還元(Cu2+、Ag+ は析出 / Na+、K+ は析出しない)
  • 陽極:不活性電極は溶液中の陰イオンや H2O が酸化(Cl → Cl2 が優先 / SO42−、NO3 は反応しない)
  • 陽極:活性電極(Cu、Ag など)は電極自身が溶け出す
  • 溶融塩電解:水なしで融解状態で電解 → Na、Al など大きなイオン化傾向の金属を得られる

6確認テスト

Q1. 電気分解における「陰極」と「陽極」をそれぞれ定義し、各電極で起こる反応の種類を答えよ。

▶ クリックして解答を表示陰極:電源の負極に接続した電極で、還元反応(電子を受け取る)が起こる。陽極:電源の正極に接続した電極で、酸化反応(電子を放出する)が起こる。

Q2. 白金電極を用いて CuSO4 水溶液を電気分解するとき、陰極・陽極の反応をそれぞれ反応式で書け。

▶ クリックして解答を表示陰極:Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu(銅が析出)。陽極:2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻(SO₄²⁻ は酸化されないので水が反応し、酸素が発生)。

Q3. NaCl 水溶液を電気分解すると、溶液中に NaOH が蓄積するのはなぜか。説明せよ。

▶ クリックして解答を表示陰極で 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻(H₂ が発生し OH⁻ が生成)、陽極で 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻(Cl⁻ が消費される)。Na⁺ は変化せず OH⁻ が増加するため、溶液中に NaOH が生成・蓄積する。

Q4. Na は水溶液の電気分解では析出できない。どのような方法を用いれば Na の単体を得られるか。

▶ クリックして解答を表示溶融塩電解(融解塩電解)。NaCl を加熱融解し、水を使わない状態で電気分解すると、陰極で Na⁺ + e⁻ → Na が起こり、ナトリウム金属が得られる。

7入試問題演習

基礎(A)から発展(C)まで段階的に取り組んでみてください。

A 基礎レベル

12-3-1 A 基礎 選択

白金電極を用いて以下の水溶液を電気分解したとき、陽極で酸素 O2 が発生するものをすべて選べ。

  • ① 希硫酸(H2SO4 水溶液)
  • ② 塩化ナトリウム水溶液(NaCl 水溶液)
  • ③ 硫酸銅(II)水溶液(CuSO4 水溶液)
  • ④ 水酸化ナトリウム水溶液(NaOH 水溶液)
  • ⑤ 塩化銅(II)水溶液(CuCl2 水溶液)
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解答

①③④

解説

陽極(不活性電極)では、Cl、Br、I が存在すると優先してハロゲン単体が発生します。

①希硫酸:SO42− は酸化されず H2O が反応 → O2 発生。②NaCl:Cl が優先して酸化 → Cl2 発生。③CuSO4:SO42− は反応せず H2O が反応 → O2 発生。④NaOH:OH が酸化 → O2 発生。⑤CuCl2:Cl が優先 → Cl2 発生。

B 標準レベル

12-3-2 B 標準 論述・計算

銅板を電極として CuSO4 水溶液を電気分解した(銅の電解精錬の模型実験)。

(1) 陰極・陽極それぞれの反応を半反応式で書け。

(2) 電気分解を続けると、溶液中の Cu2+ 濃度はどう変化するか。理由も含めて答えよ。

(3) 実際の工業的銅精錬では、粗銅(不純物を含む銅)を陽極に用いる。陽極に含まれる金(Au)はどこに回収されるか。

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解答

(1) 陰極:Cu2+ + 2e → Cu  陽極:Cu → Cu2+ + 2e

(2) ほぼ変化しない。陽極から Cu2+ が溶け出す量と、陰極で析出する量が等しいため。

(3) 陽極の下に「陽極泥」として沈殿し回収される。Au はイオン化傾向が小さいため、周囲の Cu が溶け出しても陽イオンにならず単体のまま沈殿する。

解説

(1)(2) 銅電極(活性電極)では電極自身が酸化されて溶け出します。陽極での溶け出し量と陰極での析出量が同じであるため、CuSO4 溶液の濃度は変わりません。これが電解精錬のポイントです。

(3) 銅より大きなイオン化傾向をもつ Fe、Ni などは陽極から Fe2+、Ni2+ として溶け出しますが、Cu より小さいイオン化傾向の Au、Ag、Pt などは単体のまま陽極の下に沈殿します(陽極泥)。これらの貴金属が資源として回収されます。

採点ポイント(各3点)
  • (1) 両極の半反応式が正しい(各1点)
  • (2) 「変化しない」かつ理由(2点)
  • (3) 「陽極泥」かつイオン化傾向の大小に言及(3点)

C 発展レベル

12-3-3 C 発展 総合・論述

白金電極を用いて、混合した電解質水溶液 A と B を電気分解した。水溶液 A は CuSO4 と ZnSO4 の混合水溶液(各 0.10 mol/L)、水溶液 B は NaCl と CuSO4 の混合水溶液(各 0.10 mol/L)である。

(1) 水溶液 A の電気分解で、陰極で最初に析出する金属を選び理由を述べよ。(Zn と Cu のイオン化傾向の順は Zn > Cu)

(2) 水溶液 B の電気分解で、陽極で最初に発生する気体を答え、その理由を述べよ。

(3) 水溶液 A で電気分解を長時間続け Cu2+ が枯渇した後、陰極では何が起こるか説明せよ。

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解答

(1) 銅(Cu)。Cu のイオン化傾向は Zn より小さく、Cu2+ の方が先に還元されやすいため。

(2) Cl2(塩素)。陽極では Cl が SO42− より先に酸化されるため(Cl は酸化されやすいハロゲン化物イオン)。

(3) 2H2O + 2e → H2 + 2OH(水が還元されて水素が発生する)。イオン化傾向が Zn > H2 なので、Zn2+ より先に H2O が還元される。

解説

陰極での反応順序は「イオン化傾向が小さいものが先」という原則です。Cu(イオン化傾向小)と Zn(イオン化傾向大)が共存するとき、Cu2+ が優先して還元されます。Cu2+ が尽きた後、Zn はイオン化傾向が大きく水溶液中では析出しないため、Zn2+ ではなく H2O が還元されて H2 が発生します(2H2O + 2e → H2 + 2OH)。

陽極では、ハロゲン化物イオン(Cl)が最優先で酸化されます。SO42− は安定で酸化されにくいため、Cl がある間は Cl2 が発生します。Cl が枯渇した後は H2O が酸化されて O2 が発生します。

採点ポイント(各4点)
  • (1) Cu が先と明記し、イオン化傾向で理由を述べる
  • (2) Cl2 と理由(Cl が優先)
  • (3) H2O の還元(H2 発生)と、Zn2+ が還元されない理由