スマホの充電は電気を化学エネルギーに変換していますが、 電気分解は逆に、電気の力で化学反応を強制的に起こす技術なんです。
水に電気を流すと、酸素と水素に分解される。 塩水に電気を流すと、塩素ガスが発生する。
これって、まるで魔法みたいですよね。
でも実は、アルミ缶、金メッキ、水素エネルギーまで、 私たちの生活は電気分解なしには成り立たないんです。
この記事では、電気分解の仕組みから計算問題まで、 イラストと実例たっぷりで完全解説します。
読み終わる頃には、電池と電気分解の違いも バッチリ理解できているはずです！
電気分解とは？最もシンプルな説明
電気分解の基本定義
電気分解（electrolysis）とは： 外部から電気エネルギーを加えて、強制的に化学反応を起こすこと
普通の化学反応との違い：
自然に起こる反応：鉄がさびる（酸化）
電気分解：さびを鉄に戻す（還元）← 電気が必要！
電池との決定的な違い
| 項目 | 電池 | 電気分解 |
|---|---|---|
| エネルギーの流れ | 化学→電気 | 電気→化学 |
| 反応の自発性 | 自然に進む | 強制的に進める |
| 電極の呼び方 | 正極・負極 | 陽極・陰極 |
| 例 | 乾電池 | 電気メッキ |
覚え方：
- 電池：化学反応で電気を「作る」
- 電気分解：電気で化学反応を「起こす」
電気分解の仕組み：陽極と陰極で何が起きる？
電極での反応の基本ルール
陰極（－極）：還元反応
電子を受け取る
M⁺ + e⁻ → M
例：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu（銅が析出）
陽極（＋極）：酸化反応
電子を放出する
X⁻ → X + e⁻
例：2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻（塩素ガス発生）
覚えやすい語呂合わせ
陰極（いんきょく）： 「いんきょく → えん（e⁻）をもらう → 還元」
陽極（ようきょく）： 「ようきょく → よこす（電子を） → 酸化」
イオンの移動方向
陽極(+) ←──── 陰イオン(-)
│ │
［電解液］
│ │
陰極(-) ←──── 陽イオン(+)
覚え方： 異なる電荷は引き合う！
代表的な電気分解の例
1. 水の電気分解（最も基本的）
反応式：
2H₂O → 2H₂ + O₂
電極反応：
- 陰極：2H⁺ + 2e⁻ → H₂（水素発生）
- 陽極：4OH⁻ → 2H₂O + O₂ + 4e⁻（酸素発生）
体積比： 水素：酸素 = 2：1（覚えておこう！）
実用例：
- 水素エネルギーの製造
- 潜水艦の酸素供給
2. 塩化ナトリウム水溶液（食塩水）
陰極：
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
水素ガス発生 + アルカリ性に
陽極：
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
塩素ガス発生（プールの消毒臭！）
工業的重要性：
- 塩素（漂白剤）の製造
- 水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）の製造
- 「塩電解工業」の基礎
3. 硫酸銅(II)水溶液
陰極：
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
赤褐色の銅が析出（きれい！）
陽極（炭素電極）：
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
酸素ガス発生
陽極（銅電極）：
Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
銅電極が溶ける！
応用：
- 銅の精錬（純度99.99%に）
- 銅メッキ
ファラデーの法則：電気量と物質量の関係
ファラデーの第1法則
内容： 析出・発生する物質の量は、流れた電気量に比例する
式：
物質量(mol) = 電気量(C) / (96500 × 電子数)
96500 C/mol：ファラデー定数 （1モルの電子がもつ電気量）
ファラデーの第2法則
内容： 同じ電気量で析出する物質の量は、イオンの価数に反比例
例： 96500 Cで析出する量
- Ag⁺：1モル（108 g）
- Cu²⁺：0.5モル（32 g）
- Al³⁺：0.33モル（9 g）
計算のコツ
基本の流れ：
- 電流(A) × 時間(s) = 電気量(C)
- 電気量 ÷ 96500 = 電子のモル数
- 反応式から物質量を計算
- 物質量 × 分子量 = 質量
電気分解の計算問題マスター
例題1：基本問題
問題： 2.0 Aの電流を30分間流したとき、銅は何g析出する？ （Cu = 63.5）
解答：
電気量 = 2.0 A × 1800 s = 3600 C
電子 = 3600 ÷ 96500 = 0.0373 mol
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu より
Cu = 0.0373 ÷ 2 = 0.0187 mol
質量 = 0.0187 × 63.5 = 1.19 g
例題2：水の電気分解
問題： 水を電気分解して水素2.24 L（標準状態）を得るのに必要な電気量は？
解答：
H₂ = 2.24 L ÷ 22.4 L/mol = 0.1 mol
2H⁺ + 2e⁻ → H₂ より
電子 = 0.1 × 2 = 0.2 mol
電気量 = 0.2 × 96500 = 19300 C
例題3：実用問題
問題： スプーンに銀メッキ（0.1 mm厚）をしたい。 表面積50 cm²、銀の密度10.5 g/cm³のとき、 1.0 Aで何分必要？
解答：
体積 = 50 × 0.01 = 0.5 cm³
質量 = 0.5 × 10.5 = 5.25 g
Ag = 5.25 ÷ 108 = 0.0486 mol
電子 = 0.0486 mol（Ag⁺ + e⁻ → Ag）
電気量 = 0.0486 × 96500 = 4690 C
時間 = 4690 ÷ 1.0 = 4690 s = 78分
電気分解の工業的応用
1. アルミニウムの製造（ホール・エルー法）
原料： ボーキサイト（Al₂O₃）
反応：
2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂
すごいところ：
- 1トンのアルミに15000 kWhの電力
- だからアルミ缶のリサイクルが重要！
- 電気代の安い国で生産
2. 電気メッキ
用途：
- 装飾（金メッキ、銀メッキ）
- 防錆（亜鉛メッキ）
- 機能性（クロムメッキで硬く）
原理：
- メッキしたい物を陰極に
- メッキ金属を陽極に
- 金属イオンを含む電解液
3. 電解精錬
銅の精錬：
- 純度99%→99.99%に
- 不純物の金・銀も回収
- 日本は銅精錬大国
4. 水素製造
グリーン水素：
- 再生可能エネルギーで水を電気分解
- CO₂を出さない水素
- 未来のエネルギー源
よくある間違いと対策
間違い1：電極の呼び方
混乱しやすい点：
- 電池：正極（＋）、負極（－）
- 電気分解：陽極（＋）、陰極（－）
覚え方： 電源の＋につながる方が陽極！
間違い2：イオンの移動方向
よくある誤解： 「陽イオンは陽極に行く」→ ✗
正解： 「陽イオンは陰極に行く」→ ○ （異なる電荷が引き合う）
間違い3：水素と酸素の体積比
間違い： 1：1 正解： 2：1（H₂：O₂）
化学式 2H₂O → 2H₂ + O₂ を思い出そう！
間違い4：反応の優先順位
イオン化傾向を忘れがち：
K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au
右側ほど析出しやすい（陰極）
電気分解装置の種類
ホフマン電気分解装置
特徴：
- H型のガラス管
- 気体の体積測定が可能
- 水の電気分解の定番
ダニエル電池の逆操作
通常（電池）： Zn → Zn²⁺ + 2e⁻（自発的）
電気分解： Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn（強制的）
溶融塩電解
特徴：
- 水溶液ではなく溶融状態
- Na、K、Mgなど活性金属の製造
- 高温が必要（NaCl：801℃）
電気分解の面白い実験
家でできる簡単実験
鉛筆の芯で電気分解：
- 食塩水を用意
- 鉛筆の芯2本を電極に
- 9V電池をつなぐ
- 泡が出てくる！
安全注意：
- 換気を良くする（塩素ガス）
- 目を保護する
- 大人と一緒に
色が変わる電気分解
ヨウ化カリウム溶液：
- 陽極：ヨウ素で褐色に
- デンプンを入れると青紫色！
まとめ：電気分解は現代文明の基礎技術
電気分解の世界、奥が深くて面白かったですね！
絶対に覚えておきたい5つのポイント：
- 電気で化学反応を強制的に起こす
- 電池の逆
- エネルギーを入れる
- 陰極で還元、陽極で酸化
- 陰極（－）：電子をもらう
- 陽極（＋）：電子を出す
- ファラデーの法則が基本
- 96500 C = 1モルの電子
- 電気量と物質量は比例
- 工業的に超重要
- アルミニウム製造
- メッキ、精錬
- 水素エネルギー
- 計算は順序立てて
- 電気量 → 電子 → 物質量 → 質量
- 単位に注意
電気分解を理解すると、 なぜアルミ缶のリサイクルが大切なのか、 水素社会がどう実現するのか、 科学的に理解できるようになります。
電気と化学の融合が生み出す、 素晴らしい技術の世界を楽しんでください！
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