仕事を頑張る人のおしりトラブル対策

理科の宿題で、次の二つの問題が出されました。

(1)水酸化ナトリウム水溶液の電気分解が、なぜ、水の電気分解になるか?
(2)硫酸水溶液の電気分解が、なぜ、水の電気分解になるか?

理科が苦手で、さっぱりわかりません。
なるべく簡単に教えてください。よろしくお願いします。

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A 回答 (5件)

水溶液の電気分解は、水溶液に含まれているイオン、陽極に使う物質によって何が起こるかが分かります。



陽極で起こる反応は、陽極がCやPtなどの場合
a. Cl^-、Br^-、I^-が含まれていればそれらが分解されて、それぞれ単体Cl2、Br2、I2が発生
b. OH^-が含まれていればOH^-が分解されてO2が発生
c. SO4^2-、NO3^-が含まれていれば水が分解されてO2が発生します。(OH^-はごく微量しかないので考えられない)

陰極では
x. イオン化傾向(金属のイオンになりやすい性質)がかなり大きいK~Alまでのイオンが含まれている場合
 水H2Oが分解されてH2が発生(H^+はごく微量しかないので考えられない)
y. イオン化傾向の比較的小さなZn~Ag(問題によく出るのはH~Ag)のイオンが含まれている場合 
 それらが分解されて単体金属が析出(H^+からは水素H2が発生)します。

これは高校卒業まで使えるパターンです

以上によると
(1)では陽極ではOH^-が反応しO2が、陰極では水が反応しH2が発生、
(2)では陽極で水が反応しH2が、陰極ではH^+が反応しH2が発生します。
どちらの場合も水の電気分解にはなりませんが、水を電気分解したのと同じ物質が生成します。
硫酸ナトリウムNa2SO4水溶液の電気分解であれば水の電気分解になりますね。
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この回答へのお礼

windwaldさん、丁寧な回答をありがとうございました。

お礼日時:2011/10/01 15:27

No.4です。




>無機塩を選ぶ・・・ってことは、水酸化ナトリウムと硫酸には塩が含まれているのですか?

ごめんなさい。
適切に選ぶと言っておきながら、言ってるそばから不適切なことを書いてしまっていましたね。
「無機塩」と書いたのを、「電解質」(=電離する物質)に訂正させていただきます。

塩酸HClは酸、水酸化ナトリウムNaOHは塩基と呼ぶので、塩(えん)ではありません。

酸とアルカリが反応すると、塩が生成します。
HClとNaOHからは、NaClという塩が生成します。
NaClの水溶液を電気分解すると、水素H2とCl2が発生するので、水が電気分解されたことにはなりません。

しかし例えば、硫酸ナトリウムNa2SO4のような物質も塩であり、この水溶液を電気分解した場合は、Na2SO4は失われずに水が電気分解されます。

以上をまとめると、電解質を溶かすと水を電気分解できることがありますが、その電解質が無機塩に分類されるものであるとは限らないということです。


>…二つがどうなるか解りません。

No.4で説明したのと同じことですが、もう少し詳しく書きますね。

1.
水酸化ナトリウムNaOHを水H2Oに溶かすと、

NaOH → Na+ + OH-
H2O → H+ + OH- (←こちらの反応はごく少量だけ)

という電離が水の中で起きています。
ですから、水溶液の中にはNa+、H+、OH-という3つのイオンが存在しています。

Na+は電極から出てくることはできませんが、H+は水素H2(ガス、すなわち気体の物質)に、OH-は水H2Oと酸素O2(これもガス)に、それぞれ変化します。

H2とO2が発生するということは、NaOH水溶液では、水H2Oが分解されたということになりますね?

2.
同様に、硫酸H2SO4の水溶液の中には、H+、SO4 2-、OH-という3つのイオンが存在しています。
やはりSO4 2-は電極から出てくることはできないので、H+とOH-からH2とO2が発生します。
水が電気分解されたことになります。
(HSO4 -というイオンも実は存在しているのですが、同じことなので気にしないでください)

3.
同様に、硫酸ナトリウムNa2SO4の水溶液の中には、Na+、H+、SO4 2-、OH-という4つのイオンが存在しています。
やはりNa+とSO4 2-は電極から出てくることはできないので、H+とOH-からH2とO2が発生します。
水が電気分解されたことになります。

4.
同様に、塩化ナトリウムNaClの水溶液の中には、Na+、H+、Cl-、OH-という4つのイオンが存在しています。
Na+は電極から出てくることはできず、また、OH-よりCl-のほうが優先されるイオンであり、塩素Cl2(ガス)に変化するので、H+とCl-からH2とCl2は発生するが、OH-からO2は発生しません。
水H2Oと塩化ナトリウムNaClが組みかえられて、水酸化ナトリウムNaOH(苛性ソーダとも言います)とH2とCl2が得られたことになります(NaOHは電気分解後、溶液中に残っているという意味です)。

5.
同様に、塩酸HClの水溶液の中には、H+、Cl-、OH-という3つのイオンが存在しています。
OH-よりCl-のほうが優先されるイオンであり、塩素Cl2(ガス)に変化するので、H+とCl-からH2とCl2は発生するが、OH-からO2は発生しません。
塩酸が電気分解されたことになります。

6.
同様に、塩化銅CuCl2の水溶液の中には、Cu2+、H+、Cl-、OH-という4つのイオンが存在しています。
H+とOH-よりCu2+とCl-のほうが優先されるイオンであり、銅Cu(金属)とCl2に変化するので、H+とOH-からH2とO2は発生しません。
CuCl2が電気分解されたことになります。


とまあ、長々と書きましたが、どのイオンは出てくるのか、出てこないのか、出てこれそうなイオンが2つあるときは、どちらが優先されるのかという問題です。
それが、みなさんのおっしゃっている「イオン化傾向」です。
高校の化学でお勉強なさってください。
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この回答へのお礼

丁寧な回答をありがとうございます。

教えていただいた回答を参考に、宿題を頑張ります!

本当にありがとうございましたm(_ _)m

お礼日時:2011/10/02 15:14

中学校の化学だと、「イオン化傾向」ってまだ習わないのでしたかね?


そうだとすると、完全には分からないかもしれません。
けれどもとにかく、「両極から出てくることのできるガスや金属は、種類が決まっている」と思ってください。

例えば硫酸ではなく、塩酸HClの溶液を電気分解すると、H2とCl2(大量だとけっこう毒ガス!)が出てきます。
水酸化ナトリウムNaOHや硫酸H2SO4の場合とは、結果が違いますね?
塩化銅CuCl2なら、CuとCl2が出ます。
とにかく、Cl2というガスは出てくることができます。

そして、水という物質はそもそも、液体の中で「少しだけ」、

H2O → H+ + OH-

というふうに電離しているので、どんな水溶液の場合でも常に、電気分解される候補ではあるわけです。
「少しだけ」なので通常は電気分解されづらいのですが、何かの無機塩を適切に選んでちょびっとだけ溶かすと、水が電気分解できるようになる、というのが重要な事実。

理屈も大事ではありますけど、「材料」と「結果」を「そのまま」覚えてみてください。
魔女の薬を作るみたいなもんです。
原子の世界は、目に見えません。
ある意味では、化学が錬金術と呼ばれた時代と大して変わりません。

この回答への補足

Marcoさん、回答ありがとうございます。

解らないところがあります。
実験はやっていないので、二つがどうなるか解りません。
ガス(?)は出ないんですか?

あと、無機塩を選ぶ・・・ってことは、水酸化ナトリウムと硫酸には塩が含まれているのですか?

補足日時:2011/10/01 17:10
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電気分解では電解質(水酸化ナトリウム・硫酸)の他に、水(H+ と OH-) のことを併せて考えます。


H+ は電子を受け取り水素分子になります。
OH- は電子を放って酸素分子と水になります。

(1)
Na+ と H+ でイオン化傾向の大きいイオンは、水溶液中にイオンのまま残ります。この場合は H2 が発生します。
OH- は NaOH と H2O に共通です。 O2 が発生します。

(2)
H+ が水と硫酸に共通です。H2 が発生します。
SO4- と OH- で構造の簡単な方が電子を放ち分子になります。 O2 が発生します。

(1)(2)ともに水が分解されます。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
塩化ナトリウムの場合
Na+ と H+ ではH2 が発生します。
Cl- と OH- では Cl2 が発生します。 ←(1)(2)とは違う結果になります。
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この回答へのお礼

princelilacさん、わかりやすい回答ありがとうございました。

お礼日時:2011/10/01 17:27

水の電気分解をする時に、本当に純水でやると、電気をあまり通さないので電圧をかなり上げないといけなかったり、大変なのです。


なので、何かしらの電解質を入れたいのです。


入れる電解質の候補としては、イオン化傾向が・・・・とか難しい話はナシにして。

ナトリウムも硫酸も、普通の条件では気体にはならないので、気体が出てきたらそれは水から出た水素と酸素だ、ってことになります。
塩酸水溶液でやると、水素と酸素の中に塩化水素が混ざっちゃったりするし、不適。
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この回答へのお礼

DJ-potatoさん、回答ありがとうございました。

お礼日時:2011/10/01 17:16

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