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夏休みの自由研究で水の電気分解をしました。

電極は、5*5cmのステンレス(SUS304)とチタンを用意しました。(いずれも東急ハンズで購入)
ステンレス(SUS304)の電気抵抗は72マイクロオーム/cm
http://www.coguchi.com/data_s/stainless/stainles …
チタンの電気抵抗は55マイクロオーム/cm
http://www.youdocan.ne.jp/sinsozai.html
です
ちなみに銅は0度で1.55マイクロオーム/cmでニクロム(ステンレスの親戚)は107.3マイクロオーム/cm
http://www-lab.ee.uec.ac.jp/text/misc/Metal_R.html
チタンもステンレスも電気を通しにくい(=発熱しやすい)素材ですが・・・電食を避けるために、手近な材料として選定しました。


電源は菊水の安定化電源(12V18A)
電源から電極までのリード線の抵抗は片側0.03オームです。
電極は電解質に浸し・接合部は18Kメッキの端子をプラスチックのビス・ナットで固定してあります。
電解液は1%mol 水温25度 のNaOHを使いました。



このとき非常に奇妙な現象が起こります。
いずれも電圧10V・電極のギャップは2mmです

1.陽極ステンレス陰極ステンレス電流8.0A水素・酸素が多量に発生する 茶色い析出物ができる
2.陽極ステンレス陰極チタン 電流10.55A電流は1より多いものの、気体発生は1.の半分にもみたない
3.陽極チタン陰極ステンレス 電流0.2A間違いではありません。何回測定しても同じ0.2Aです
4.陽極チタン陰極チタン電流0.1A間違いではありません。何回測定しても同じ0.1Aです

ここで、質問です


1.陽極と陰極の材質を入れ替えた場合、なぜ、電流の流れやすさ(=抵抗?)が変わるのでしょうか。(まるで、ダイオードです)
(しかも、陽極ステンレス・陰極チタンとした場合・ステンレス-ステンレスより多く電流が流れるが、発生量は少ない)

2.チタンはステンレスより電気抵抗が少ないのになぜ、電流が流れないのしょうか?(酸化被膜かと思って、接点を磨きましたが同じです。)

3.オームの法則から電極の抵抗+電解質の抵抗(?)は
それぞれ、10V/8.0A-0.03*2(リード線)=1.19オーム
それぞれ、10V/10.55A-0.03*2=0.89オーム
それぞれ、10V/0.2A-0.03*2=49.9オーム
それぞれ、10V/0.1A-0.03*2=99.9オーム
となりますが、テスターで直接計測すると計測不能です。(絶縁されているように見えます)なぜでしょう?
(ある程度以上の電圧がないと電気分解ができず電流が流れない=抵抗が測れないからでしょうか)

4.ものの本には、析出量(電気分解された物質の量は)、流れた「電気量」(電流x時間)に比例する(ファラデーの第一法則)とあります
電極間の距離を近づけてもっと電流を流せば多量に水素と酸素が発生する「はず」ですが、そうはなりません。
ステンレス-ステンレスで1mmまで近づけると、あっという間に「湯沸かし器」状態になってしまいまい、かつ発生量は殆ど変化しません。
これは、「泡の抵抗」とかも関係するのでしょうか?

5.となると・・・100V10Aと10V10Aでは(同じ電流が流れるように電極の距離を調整した場合)、
酸素・水素の発生量は「同じ」で、100V10Aの方は大部分熱エネルギーになってしまうということでしょうか?すみませんDC100Vが取れないもので・・・)
この温度上昇をさせずに、効率的に電気分解をするにはどのような工夫が必要でしょうか?

6.色々な装置を見ると、陽極にはニッケル・陰極には鉄を使ったものがありますが、電極の材質として最も適切なものは何でしょうか?
http://www.sunwell.co.jp/whats/system.html
(試しにニッケルメッキの金具を陽極にしましがた、あっという間にメッキがはがれ点々と錆びてしまいました。電極をチタン材に白金メッキしたもので実験したいのですが、白金や金はとても高すぎて手がでません。SUS316Lならば電食なく使えると考えてよいのでしょうか?(それでも発熱するだろうな・・・)

7.茶色い析出物は何でしょう?(陽極側に発生する。ステンレスの鉄分のサビかと思いますが・・・)

8.もっと効率的な(収量の多い)・発熱の少ない方法がありましたらご教唆ください。
特に電極の材料・形状について教えてください。
他にも、DCでなく高周波で分解するとか、パルス変調をかけるとか・・・(液温が上がると収量が増えることだけは確認できました。)



追記:自分で実験してから聞け!という声もあるかと思いますが、高1なので高価な実験材料・機材が買えないのです・・・。よろしくお願いします。

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A 回答 (2件)

「分子レベルからみた界面の電気化学」日本化学会 編B5判/250頁 本体価格3200円という本があります。


目次から
1 分子レベルからみた界面の電位発生機構・・・前田正雄
2 金属電極の化学---電析と溶解・・・春山志郎
7 陽極酸化皮膜の化学・・・佐藤教男
あたりが(8以外の質問に対して)参考になると思われますので参考にされては如何でしょうか?
(近くの公共の図書館で借りるのもよいかと存じます)
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これ,ちゃんと答えてもいいんだけど,そうすると自由研究の考察すべきことをすべて誰かに聞いた,って話になって,せっかくやったのが台無しではないかと.



まあ,ヒントくらいにしておきますかね.
1. 観察事実と合わせると,起こっている反応は水の電気分解だけではない,ってところが問題.
2. 今回の全実験を通して,電極や配線の電気抵抗は,まったく問題にならないくらい,十分に小さいとみなしてかまわないから.
3. そもそもオームの法則は大変に精度の低い法則である.とくに電極と溶液の界面については,オームの法則はまったく意味をなさないので,電流と印加電圧から抵抗を求める作業自体が物理的に全く無意味.テスタでの抵抗値が大きい理由の推定はいい線をついている.
4. 電極を近づけると電気抵抗が減るから電流が増えるという想定だと思われるが,この系ではそう単純ではない.というか,数 mm から数 cm くらいの範囲ではほとんど電流は増減しないと思う.律速段階が液抵抗ではないからである.
5. 要するにそういうこと.工夫についてはもう少し考えるべき.
6. 陰極は白金がベスト.陽極はカーボンでもいいけど.
7. いい線をついている.ステンレスを陽極にすると何がおこるのか.というか,陽極とは何をする電極のことなのか.
8. 交流的な印加は逆効果.

陽極,陰極とはどういうことか,もう少しつっこんで考えるといいかも.
でも,この問題,全部をちゃんと説明するには,高一程度の知識ではかなり苦しいかもねえ.大学生でも苦労するかも.
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Qステンレス電極で水を電気分解したら茶色い浮遊物が・・・

興味本位の実験です。

最近、浴槽の中で水を電気分解して入浴する水素風呂が販売されています。
メーカによって、触媒として食塩を入れるものと、何も入れないでよいものとがあります。

食塩を入れるものは、ステンレス電極らしいです。何も入れないものは、電極材料不明です。
メーカは、食塩を入れると「通電電流が大きくなって水素料が増す」と説明しています。

私の実験では、ステンレス電極(陽極・陰極とも)の間隔を3~5㎜位に狭くすると、直流12Vで0.5A以上流れて、発生ガス(水素と酸素でしょう)がよく見えます。

ステンレス電極は、直径2㎜の市販のステンレス針金を、1メートル分位並行にとぐろ巻きしています。
それを樹脂製洗面器に入れ、水道水で満たしました。

12時間ほど通電したところ、洗面器の水面ほぼ全面に泡が浮かんでます。そして、その泡に茶色っぽい塵(化学方面の人はもっとうまく言うと思いますが)が付着してます。
洗面器の底にも粉じんが沈殿してます。

リトマス紙を持ってたので、浸してみたら、pH10位ありそうです。

水がきれいで無害なら、入浴実験してみるつもりでしたが、この茶色っぽい塵が気になります。
これは何でしょうか。何の可能性があるでしょうか。

H20とステンレス(FeとCr)でできるものですよね。

私電気方面の人なので、テスターその他電気的測定器はいろいろありますが、調査には役に立たないですね。

つまらない話ですが、よろしかったら、ご意見ください。

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Aベストアンサー

ステンレスは、Fe、Ni、Cr を主とする合金です。一番多いのは、Feです。水は、わずかですが、H+とOH-のイオンに電離します。H+は、マイナス電極に引き付けられ、H2(水素ガス)になって大気中に出てしまいます。OH-は、プラス電極に引き付けられ、反応しやすいFeと、Fe(OH)3の形をとりますが、これが電離していて、Fe3+と3OH-となっており、溶液がアルカリ性を示すと考えられます。また、茶色い物は、安定なFe2O3と考えられます。プラス電極側に電気分解して出来る酸素は、いわゆる発生期の酸素でこれも反応し易いからです。実際は、鉄と水以外にも種々の物質が含まれており、複雑な反応状態になっていると考えられます。一般的に、化学反応においては、反応し易い物が優勢に反応し、最終的に一番安定な物になります。
ちなみに、私は機械屋です。

Q食塩水をステンレス電極で通電したら黒い物質が出てきたのはなぜか教えてく

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Aベストアンサー

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おそらく、電解質として水酸化ナトリウムを添加していると思います。
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これは即座に炭酸イオンとなります。
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条件にもよりますが、炭素電極が腐敗して黒い粉がぼろぼろでることもあります。
だから、陽極は白金やステンレスを使うのが一般的です。

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陽極では、電極がCuやAgなどの場合、電極の金属が解ける。

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ここで疑問なのですが、陽極では、

イオン化傾向がH2>Cu>Agなので、AgよりH+またはH2Oが陽イオンになりやすく、

ここでは、2H2O → O2 + 4H+ + 4e-

となると思うのですが。

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Aベストアンサー

ます、電気分解で気体が発生するためには、酸化還元電位だけではなく、
過電圧も必要なので、単純にイオン化傾向だけでは比較できません。

わかりやすい考え方を書いておきます。
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これら金属のイオン化傾向がHよりかなり大きいからです。
(2)CuやAgは塩酸には溶けませんが、硝酸には溶けます。
これは硝酸によって酸化されるからです。
しかし、硝酸もPtやAuは溶かせません。

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Qイオン交換膜の入手先または、身近な材料での作り方

化学実験が趣味です。ある実験で、イオン交換膜がほしいのですが、どこで販売しているのか、いくらぐらいなのか、ご存じの方教えてください。それか、もし身近な(入手が可能なもの)もので作る方法があれば教えてください。よろしくお願いします。なるべく詳しくお願いします。

Aベストアンサー

ichienさん紹介のサイトは良いサイトです。

どのような実験に使用するのでしょうか?
電気透析(ED)でしょうか?

企業の研究使用でないと難しいかもしれませんが、以下の参考URLは参考になりますでしょうか?
「(株)サンアクティス」
ここでは「旭化成」の膜で実験室用のデモ機もあります。
他の膜メーカーあるいは装置メーカーは
・三井造船エンジニアリング
・トクヤマ
・オルガノ
・旭硝子
・ユアサ
ですが、駄目元であたって、販売実験機器メーカー等を紹介してもらってはどうでしょうか?

ご参考まで。

参考URL:http://www.sdk.co.jp/shodex/japanese/ae_sana.htm

Qキレート剤とは?。

キレート剤とはどのようなものなのでしょうか?。
そしてどのようなところに利用されているのでしょうか?。
教えてください。

Aベストアンサー

無電解銅めっき液に関して、キレート剤が関与するのは、銅イオンの可溶化、溶解生の安定化が大きな作用と思います。通常、無電解銅めっき液は、アルカリ性であるため、銅イオンは容易に水酸化物となって沈殿してしまい、めっき液が成立しません。そのため、EDTA(エチレンジアミン四酢酸のナトリウム塩)や、クエン酸、酒石酸などのオキシカルボン酸塩(ナトリウム塩など)を配合して、めっき液を調製します。このままでは、金属が析出しないため、ホルマリンや次亜燐酸塩などの還元剤を使用して金属を析出させます。
また、アンモニアは、銅イオンと容易に結合し「銅アンモニア錯イオン」を作り、めっき液に重要なファクターとなっています。アンモニアは、キレート剤、pH緩衝剤の両者に有効に働いていると思います。
キレート剤には、広い意味があるため一言での説明は難しいです。
一般的には、可溶化、安定化作用を利用して、溶液の調製に使用されますが、ある種の金属と特異的に結合する性質を持つ物は、沈降剤(排水処理など)、金属回収(キレート樹脂による交換など)に利用されています。
また、金属イオンと結合し(錯体を形成)することにより、元の金属の特徴を変化させることが可能となるため、電気メッキにおいても合金メッキに利用されています。この場合は、析出電位が大きく異なる異種金属の析出電位を近づける事が可能となり、合金皮膜として析出させることができます。また、めっき液の金属溶解安定性を維持することにも寄与しています。
回答になっていなかったらごめんなさい。参考になったでしょうか?                           

無電解銅めっき液に関して、キレート剤が関与するのは、銅イオンの可溶化、溶解生の安定化が大きな作用と思います。通常、無電解銅めっき液は、アルカリ性であるため、銅イオンは容易に水酸化物となって沈殿してしまい、めっき液が成立しません。そのため、EDTA(エチレンジアミン四酢酸のナトリウム塩)や、クエン酸、酒石酸などのオキシカルボン酸塩(ナトリウム塩など)を配合して、めっき液を調製します。このままでは、金属が析出しないため、ホルマリンや次亜燐酸塩などの還元剤を使用して金属を析出さ...続きを読む

Q水の電気分解で H2O が反応するのは何故?

 水の電気分解で酸性溶液(H2SO4 水溶液など)では(1),(3)の反応が起こり,アルカリ性溶液(NaOH 水溶液など)では(2),(4)の反応が起こると考えられます。

 陰極:
   2H+ + 2e- → H2↑      (1)
   2H2O + 2e- → H2↑ + 2OH-  (2)

 陽極:
   2H2O → O2↑ + 4H+ + 4e-  (3)
   4OH- → O2↑ + 2H2O + 4e-  (4)

 ここで,溶液が酸性からアルカリ性に変わる事で,反応種が陰極では H+ から H2O に変化し,陽極では H2O から OH- に変わります。

 酸性溶液で(1)の反応が,アルカリ性溶液で(4)の反応が起こる事は自然です。では,何故アルカリ性溶液で(1)でなく(2)の反応が起こり,酸性溶液で(4)でなく(3)の反応が起こるのでしょうか。

 以前は,酸性溶液での OH- 量やアルカリ性溶液での H+ 量が非常に少ないためと考えていたのですが,「極く少量でも反応すれば平衡で新たな H+ や OH- は供給されるはず」と考えだすと,単に量が少ないだけでは納得できなくなってしまいました。

 どなたか「物理化学」苦手の私に,納得できる数値なり理論なりを示して落ち着かせて下さい。お願いします。

 水の電気分解で酸性溶液(H2SO4 水溶液など)では(1),(3)の反応が起こり,アルカリ性溶液(NaOH 水溶液など)では(2),(4)の反応が起こると考えられます。

 陰極:
   2H+ + 2e- → H2↑      (1)
   2H2O + 2e- → H2↑ + 2OH-  (2)

 陽極:
   2H2O → O2↑ + 4H+ + 4e-  (3)
   4OH- → O2↑ + 2H2O + 4e-  (4)

 ここで,溶液が酸性からアルカリ性に変わる事で,反応種が陰極では H+ から H2O に変化し,陽極では H2O から OH- に変わります...続きを読む

Aベストアンサー

いつのまにか議論が再開していたのですね…。また参加させて頂きます。

まず,T-Ein さんの文献についてですが,引用文中の「百年前からわかっている」の部分に,ちゃんと 100 年前の論文が参照されておりますか? もし参照があるなら,その元の論文に関する情報を教えていただけると幸いです。その論文こそが,この問題の「答え」ですから。万が一参照がない場合,引用された部分は「非科学的」と言わざるを得ません。なぜなら反応物濃度が 0.01 M 以上である根拠が全くないことになってしまうからです。この数字を元に pH < 2 だとか pH > 12 だとか議論する重要な値な訳ですから,正確な論理展開でキチンと導出しなければなりません。何の説明もなしに「百年前からわかっている」など言われても,全く説得力がないのです。

さて,ここからが本題です。多少以前に書いた内容の繰り返しになりますが,この問題の根本は「(i) 水分子の電離の反応速度と (ii) 電極反応速度の大小関係」にあると思います。ロジックは No.3 に書いたとおりです。当初私は,水の電離速度は十分に大きく,常に (i) > (ii) だと思っておりましたが,他の方々の回答およびその中の実験事実などを拝見させていただきますと,現実は私の認識とは異なり,恐らく水の電離速度は意外に小さいのだと思います。気体発生を目視できる程度の速さの,実感できる(?)水の電気分解では (ii) > (i) になっているのでしょう。本当は正確なデータが欲しいところですが,状況証拠として,No.4 による dragon-2 さんのフェノールフタレインの実験結果がそれを示唆していると思います。つまり,OH- が電極近傍に局在化する理由は OH- の移動度が比較的小さいためであり,その原因は水の電離の遅さに他なりません。また,多くの方の説明で見られる「濃度説」も,水の電離が十分に遅いことが暗黙の前提条件となっていれば納得できます。

今までの議論を総括し,私なりにまとめました。以下に示します。恐らく,現実もこのようなものではないかと思うのですが,如何でしょうか?


[case 1.] (i) > (ii) の場合
 CV など電気化学測定における微小電流での電気分解が,こちらの case に分類される。電気分解の速度は小さく,電極電位差も小さい。酸化還元反応を起こすイオン種は,それぞれ H+ と OH- である。よって,半反応式は(1)と(4)のみ。

[case 2.] (i) < (ii) の場合
 気体発生を目視できる程度の速さでの電気分解が,こちらの case に分類される。電流が大きく電気分解の速度は大きい。電極電位差は case 1 の時よりも大きく,反応を起こす化学種は H+ と OH- と H2O の 3 種類。このうち,陰極近傍にある H+ と陽極近傍にある OH- は電気分解の開始と共に減少し始め,後に低い濃度で保たれる。この濃度とは,イオン種の電極反応速度と供給速度とがつりあった平衡濃度である。
 電極反応の経時変化は,濃度が変化し続ける「初期状態」と平衡濃度で安定する「定常状態」とに分けられる。初期状態とは,H+ と OH- が H2O よりも優先して電極反応を起こすが,H+ や OH- の泳動・対流・電離などが遅いために電極への供給が間に合わず,電極近傍の濃度が減少し続ける状態のことである。一方定常状態とは,H+ と OH- が低濃度で安定し,ほとんど H2O のみが電極反応を起こしている状態のことである。つまり,初期状態における半反応式は(1)と(4)で表すことができ,定常状態における半反応式はほぼ(2)と(3)で書ける。
 この初期状態の寿命は,それぞれ H+ および OH- の初期濃度によって決まる。pH = 7 の時は,両者の初期濃度はほぼ同じオーダーにあると見なせるが,もし pH が十分に小さいときや十分に大きいときは,両者に著しい濃度差が生じ,その結果,陰極と陽極とで初期状態の寿命が異なってくる。つまり,片一方の電極のみで,初期状態が長く続くことになる。この現象に基づき,一方の電極が初期状態で他方の電極が定常状態の系のことを,以下「準定常的な系」と呼ぶことにする。例えば pH が非常に低い場合「陰極の初期状態の寿命 >> 陽極の初期状態の寿命」である。すなわち,陽極はすぐに定常状態に移行して H2O の酸化反応が主となるにも関わらず,陰極は長時間初期状態を維持し,H+ を還元反応をし続ける。この準定常的な系の半反応式は(1)と(3)である。同様にして,pH が非常に高い場合の準定常的な系の半反応式は(2)と(4)になる。これらの準定常的な系はあくまでも過渡的な状態であるが,pH が極端に大きかったり小さかったりした場合,準定常的な系を維持する時間は非常に長い。そのため,場合によっては,実際の実験において定常状態を観察できないことも考えられる。

いつのまにか議論が再開していたのですね…。また参加させて頂きます。

まず,T-Ein さんの文献についてですが,引用文中の「百年前からわかっている」の部分に,ちゃんと 100 年前の論文が参照されておりますか? もし参照があるなら,その元の論文に関する情報を教えていただけると幸いです。その論文こそが,この問題の「答え」ですから。万が一参照がない場合,引用された部分は「非科学的」と言わざるを得ません。なぜなら反応物濃度が 0.01 M 以上である根拠が全くないことになってしまうからです。この...続きを読む

Qチタンの酸化膜除去について

チタンの表面に強固な酸化被膜があります.
工業や装飾品では,この酸化膜を陽極酸化にて製膜していますが,逆に,陰極にチタンをつけることで酸化膜を分解することはできますでしょうか?

お願いします.

Aベストアンサー

出来ません。せいぜい水素ガスが出るだけです。強固な酸化膜を取るにはフッ酸かフッ硝酸などの強力な酸(混酸)が必要です。
 ただし酸化膜をよしんば除去できてもその後の水洗等で瞬時に酸化膜が出来ますけどね。

Qシリカイオンの除去方法

シリカイオンの除去方法を教えてください。これって、マイナスイオン、プラスイオンですか?アニオンイオン交換樹脂で除去できますか?
RO膜で除去できますか?最適な除去方法を教えてほしいです。

Aベストアンサー

ケイ素化合物中のケイ素はカチオンまたはアニオンの両方を考える必要があります。SiO2 やNa2SiO3などがそうですがシリカイオンだけの場合はカチオンと考えるべきでしょうか?
 現場的にはカチオンとアニオンのイオン交換樹脂の混床タイプをお薦めします。カチオン、アニオンと連続してイオン交換してくれ、純度が飛躍的にアップします。
 ただし、シリカイオンは吸着度が弱いため他の比較的強い夾雑イオンが来るとパージされます。特に再生間近が危険です。私のところではイオン交換の後にROをいれています。(それでも数ppmまでしか下がりませんが)

Q過電圧について教えて下さい。

過電圧に関していろいろな書籍を見てみたのですが、どうしても理解出来ません。
過電圧とは、電流Iが流れているときの電極電位と平衡電位との差である、というような説明がなされていますが、
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%83%B3%E3%82%B9%E...​
ここに書かれているネルンストの式で左辺が平衡電位に相当し、この電位からのずれが過電圧に相当するわけですが、
ある電位にセットしたとき、最初は酸化還元にともなう電流が流れますが、しばらく時間が経つと右辺の第2項にあるように酸化種と還元種の濃度が変化するために、平衡電位がずれ、電流が流れなくなると思います。この過渡的にかかる平衡電位からのずれのことを過電圧だと思っていたのですが、

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%81%8E%E9%9B%BB%E5%9C%A7
しかし、ここの説明では、酸素発生の平衡電位が+1.23Vなのに、白金電極上では過電圧が存在するために、-0.4Vほど低くなる、というような解説がなされています。
この説明と上で書きました概念では全く別もののように思うのですが、これはどういうことなのでしょうか?
手元の本には上記のような感じで書かれてあったのですが、どのように解釈すれば良いのでしょうか?

過電圧に関していろいろな書籍を見てみたのですが、どうしても理解出来ません。
過電圧とは、電流Iが流れているときの電極電位と平衡電位との差である、というような説明がなされていますが、
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%83%B3%E3%82%B9%E...​
ここに書かれているネルンストの式で左辺が平衡電位に相当し、この電位からのずれが過電圧に相当するわけですが、
ある電位にセットしたとき、最初は酸化還元にともなう電流が流れますが、しばらく時間が経つと右辺の第2項にあるように酸...続きを読む

Aベストアンサー

> 上の例でいうと、後者の意味での過電圧(電気分解のときの過電圧)に相当すると思うのですが、合っていますでしょうか?

あっていません.吸着種のボルタモグラムが,可逆系ならピーク電位が一致する,上下対称な形になるのはなぜでしょう?通常の拡散のある系でピークがずれるのは,拡散があるからです.

> 電気化学では過電圧という一つの用語が2つ異なる意味をもつ

解釈の問題ですけどね.

> これら以外にも別の意味をもっているということはないのでしょうか?

過電圧という言葉がですか?ならばないと思いますが.
他の言葉だと,「可逆」の意味が二種類ありますね.可逆反応という意味での可逆と,熱力学でいう準静的過程を意味する可逆のときと.後者の意味を理解して「可逆」という言葉を使っている人は少ないように思えてなりませんがw


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