水の電気分解についてお願いします

水の電気分解についてお願いします
水の電気分解の装置でH形ガラス管などがありますが、陰極・陽極を満たした水がつながっているのを見ます。発生する気体の為に水を逃がすよう工夫した装置にさえすれば、陰極を満たす水と陽極を満たす水をつなげなくても（独立してる）、水の電気分解はおこるのでしょうか？理由も教えていただけるとありがたいです。よろしくお願いします。

No.5 ベストアンサー 回答者： vsl2000 回答日時： 2010/02/18 09:58

＞塩化物イオンがゆっくりと移動していたら電流もなかなか流れないのではないか

　塩化物イオンが陽極に電子を渡して塩素ガスになると同時に、陰極では水素イオンが電子を受け取って気体の水素になる。
　つまり電子が瞬時に陰極から陽極に移動したのと同じことであり、したがって電流は流れている。
　しかしここで質問者さんの疑問がわきおこるのですね。

＞電子が陰極から電解液中を通り、陽極へ行かないのなら陽極の試験管と陰極の試験管を独立させても問題ないのでは？

　おっしゃるとおり、個々の電子に注目すればそうなります。
　つまり陰極から出て水素イオンに受け取られた電子は水素ガスとともに出て行ってしまい、陽極には永遠に到達できません。
　ですが電流とは、個々の電子の動向ではなく、回路全体に存在する電子群の動きによって生じているのです。
　さてこの電気分解が進むと陰極の回りの水素イオンと陽極の回りの塩化物イオンとが少なくなってきますが、
それを補うように陰極の回りの塩化物イオンと陽極の回りの水素イオンとが、それぞれ拡散によって少ないほうへと移動してゆきます。
　陽極の試験管と陰極の試験管とを独立させると、その拡散によるイオンの移動が出来ませんから、電流は流れず電気分解も起こらないのです。


　

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。とてもすっきりしました。化学は苦手分野です。難しいですね。
最後にもう一つよろしいでしょうか。ある参考書に「水溶液中を流れる電流」と題して塩化銅の水溶液に電源装置のプラスとマイナスからそれぞれつないだ炭素棒を入れ、電流計と電圧計がつないである図がありました。その結果として、電圧と電流の関係は正比例していない、とありました。これはつまり一定ではないが水溶液にも抵抗はある、と判断していいでしょうか。たぶんイオンの移動や数が関係して一定ではないのだと思います。
何度もお手を煩わせてすみません。結論だけでいいのでよければお返事ください。

補足日時：2010/02/18 17:40

この回答へのお礼

回答ありがとうございます。大変勉強になりました。

お礼日時：2010/03/22 16:40

No.9 回答者： Zincer 回答日時： 2010/03/05 16:41

普通の電気抵抗の場合、両端に電圧をかければそれに正比例した電流が流れます。

（オームの法則）
電気分解に必要な陽極と陰極の間の電圧（＝印可電圧）は
Ａ．両電極の平衡電位（見かけの電流が０の時）の差
　　　　ネルンストの式(Nernst equation)参照
Ｂ．各電極で反応が起こる（電流が流れる）ために必要な過電圧の和
　　　　ターフェルの式(Tafel's equation)参照
Ｃ．溶液中のイオンの移動（電気泳動）に必要な電圧
の合計になります。
私が比例関係に有ると言ったのは「Ｃ」のみです。
質問者さんがご覧になったのは「（印可）電圧」と「（電極反応を伴った）電流」ですから比例関係に無いのは当然です。
話を最初の質問に戻しますが、『溶液がつながっていない場合、両溶液間の抵抗は無限大で有り、電極に印可した電圧が全て「Ｃ」となって消費されるため、反応に必要な「Ｂ」が得られない。つまり反応が起きない。』と言う説明でよろしいでしょうか？
再度ご説明いたしますが、印可電圧を徐々に上昇させていき、
No.8の「１」の領域では両極の平衡電位の差に達していない。
次に、平衡電位差以上の電圧が印可された段階で「２」となり、「Ｂ」と「Ｃ」が生じる。
但し、イオンの消費に因って電極表面のイオン濃度も変化し「Ａ」も変わります。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。私が知りたかったのは回路全体での電流、電圧の関係が正比例するのか、という疑問でしたので、Zincerさんの説明でよると正比例しないと理解しました。部分的なCの場合でみると正比例すると理解しました。これで問題なければいいのですが・・・。何度もありがとうございました！

補足日時：2010/03/05 18:20

この回答へのお礼

とても参考、勉強になりました。問題なければそろそろ締めようと思います。ありがとうございました！

お礼日時：2010/03/22 16:42

No.8 回答者： Zincer 回答日時： 2010/03/04 11:06

質問者さんがどのような図を見たのか解りませんので、適切な回答か解りませんが、例外というか全てのイオン性の溶液に成り立ちます。

順を追って行きますと
１．電圧が低い（電気分解に必要なエネルギーに達していない）場合
電気分解は起こらないので、電流は流れません。
つまり、見かけの抵抗は無限大です。
２．電気分解が順調に起こっている場合
この領域では、電圧の増加に伴って電流は上昇します。
３．電圧が高い場合
電気分解が起こっているときは電極でイオンは消費されます。つまり電極表面でのイオン濃度が変化しているわけです。
極端な場合は濃度は０です。この場合の電流は、電極表面へのイオンの供給速度に依存することになります。この時、拡散律速となり、電流値は一定です。

私が「溶液自体」と強調したのは、仮に電流が流れている状態で、電極表面濃度の影響を受けない溶液中の２点間の電圧（電位差）を測定すれば「オームの法則」に従うという事です。

この回答への補足

回答ありがとうございます。追加はしないと言いましたが、すみません。書店にある中学の参考書「自由自在理科（受験研究社）」のP263の下、です。「電圧と電流の関係は正比例していない」とあります。Zincerさんの理解ではすべてのイオン性の溶液では抵抗は一定なんですよね。この違いはどう理解すればいいのか・・・。Zincerさんの示された2の時だけが正比例ということでしょうか？もしよろしければその参考書をご確認ください。まだ一応締めにはしませんので、お返事いただけたら幸いです。ありがとうございました。

補足日時：2010/03/04 22:51

No.7 回答者： Zincer 回答日時： 2010/03/03 16:53

＞これはつまり一定ではないが水溶液にも抵抗はある、

イオンの種類と濃度が決まれば、溶液自体はほぼ一定の抵抗を示します。
これは各イオンの移動度に因って決まるからです。

質問者の疑問である「塩化銅水溶液の電気分解の場合」には他に大きな原因が有ります。
電気分解の場合、電極表面で酸化還元反応が起こっており、それに必要なエネルギーが有るからです。
例えば水の電気分解の場合、概ね１．２Ｖ以下では反応は起きないため電流は流れません。
他に、「電極表面近傍のイオンの拡散」等が電気分解の時の抵抗の原因になりますが、詳しいことは再度別質問をたてることをお勧めします。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。待っていてよかったです。イオンの種類と濃度が決まれば、溶液自体はほぼ一定の抵抗を示すんですね。ただ塩化銅の場合は一定ではない、と理解していいですか？例外がいくつあるかはわかりませんが、とりあえず塩化銅については一定ではないでOKですか？これがわかればもう追加はしませんのでお答えいただけると大変ありがたく思います。よろしくお願いします。

補足日時：2010/03/04 00:31

No.6 回答者： Zincer 回答日時： 2010/02/18 18:15

個々の電子の移動速度を勘違いされている節が有ります。

ＵＲＬを読んで見てください。（桁違いに小さく無いですか？）
もうご理解されているようですが、導体中と違って溶液中を電子が単独で移動することは有りません。
溶液中では、陽イオンと陰イオンが協同して電気を運んでいます。
それぞれの動きやすさ（移動度）が同じであれば各イオンが運ぶ電気は、電子の運ぶ電流の半分の仕事で構いません。（これを輸率といいます。）
さらに補足いたしますと、電線の断面積に比較して溶液の電流方向と垂直な断面積は大きいでしょう？
この分も各イオンの移動速度があまり大きく無くても、きちんと（電気を運ぶ）お仕事を出来る原因の１つです。

参考URL：http://www.ne.jp/asahi/shiga/home/MyRoom/velocit …

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。1Aにつき毎秒0.1ミリの記述のところを拝見しました。確かに移動速度おそいですね。
理解が以前より深まりました。実はNo5さんに出した補足に対するお返事が、たぶんお忙しいからだと思いますが、いただいていないのです。大変申し訳ないですが、代わって回答していただくと助かります。短くてもいいのでもしよろしければお願いいたします。

補足日時：2010/02/23 13:43

No.4 回答者： vsl2000 回答日時： 2010/02/16 16:02

＞電子だけは速く移動するという理屈

　質問者さんは、電気分解において、電子がどこからどこへ、
どのくらいの速さで移動するとお考え、もしくはイメージされているのですか？

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。電子が陰極から電解液中を通り、陽極へ、です。先の補足の例で言えば塩化物イオンにくっついた電子が、です（イオンの電子が離れるかどうかはよくわかりませんが）。電子が陰極から電解液中を通り、陽極へ行かないのなら陽極の試験管と陰極の試験管を独立させても問題ないのでは？と考えてしまうのです。つまり陰極、電源、陽極のつながった部分だけしか電子の移動がないなら独立させても同じと思うのです。電子の速さは電流の逆と考えてますが、塩化物イオンがゆっくりと移動していたら電流もなかなか流れないのではないか、とイメージしてます。

補足日時：2010/02/17 00:46

No.3 回答者： vsl2000 回答日時： 2010/02/15 18:05

＞その場合電解液中を通って陽極へいくイオンがありません

　いいえ、そんなことはありません。
　お尋ねの場合は、陰イオンである塩素イオン（正しくは塩化物イオンと言うべきだそうですが）が陽極へいきます。
　

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。塩化物イオンが移動するのは知っていますが、電子の移動速度と塩化物イオンが移動する速度は一致するのでしょうか？塩化物イオンがものすごい速さで（電流の速度で方向は逆と言えばいいのでしょうか）移動するとは思えません。塩化物イオンがのろのろ速度で陽極へ行くのに、電子だけは速く移動するという理屈が納得いかないのです。
短くてもいいので再度ご回答いただけると助かります。よろしくお願いします。

補足日時：2010/02/16 00:37

No.2 回答者： vsl2000 回答日時： 2010/02/15 09:43

＞陽極付近のイオンが陽極に電子を渡し、導線、電池を通り、陰極へ行き陽極付近にあるイオンに電子を渡す・・・

　「陽極付近にあるイオンに」の陽極は陰極の打ち間違いでしょう。
　質問者さんは、陰極で電子を受け取ったイオンはどこを通って陽極にたどり着くとお考えですか？

　

この回答への補足

はい。すみません。陰極付近にあるイオンに電子をわたす、の間違いでした。すみません。
水の電気分解で水酸化ナトリウムを入れた場合、陰極では2H2O+2e-→H2+2OH-とのことらしいです（調べたところ）。そしてOH-イオンが電解液中を通って陽極へいくのかもしれないと思えますが、塩酸の電気分解では水素イオンが電子を受け取ると気体となって出て行きます。その場合電解液中を通って陽極へいくイオンがありません。ということは電解液中を通る電子がありません。その辺が分からないのです。もしよろしければご回答ください。

補足日時：2010/02/15 14:59

No.1 回答者： BookerL 回答日時： 2010/02/14 20:54

＞陰極を満たす水と陽極を満たす水をつなげなくても（独立してる）、水の電気分解はおこるのでしょうか？

　起こりません。

＞理由も教えていただけるとありがたいです。

　つながっていないと電気が流れないからです。

この回答への補足

陰極と陽極の間に水があると、そこに電子の移動があるのでしょうか？
陽極付近のイオンが陽極に電子を渡し、導線、電池を通り、陰極へ行き陽極付近にあるイオンに電子を渡す・・・。こんな感じでよく解説をみるのですが、この過程に陽極と陰極の間の水の中で電子の移動がないと感じるからです。塩酸の電気分解についても同じような疑問を感じます。
もしよろしければもう少し詳しく解説いただけるとありがたいです。よろしくお願いします。

補足日時：2010/02/15 00:46

この回答へのお礼

大変参考になりました。ありがとうございました。

お礼日時：2010/03/22 16:47