銅板をもちいた電気分解 電解質はなぜ必要か？

電池の両極を銅板につなぎ、銅板を寒天(NaClを含む)に突きさして電気を流し、電気分解させる自由研究を行っています（私は大学生、自由研究をやっているのは中学生）

正極からはCuが銅イオンになること、陰極からは水素が発生することは分かります

ただ、なぜ寒天(溶液中)に電解質（NaCl）がなければいけないかがよく分かりません

というのも、
正極：Cu→Cu+2と2e-
陰極：2H2O+2e-→H2＋2OH-

という反応が起こることは分かりました
しかしこの中に、NaClは登場していないことが謎です

陰極付近で、この反応にNaClが何か一役かっているらしいのですが
分かりやすく教えていただけますか

よろしくお願い致します

No.1 ベストアンサー 回答者： doc_somday 回答日時： 2015/08/08 17:37

その場合食塩を支持電解質(supporting electrolyte)と呼びます。

食塩は不適切です、塩素が出るから。
通常、水酸化ナトリウムか硫酸を使います。
使う理由は、こいつが無いと電流密度(電解速度と言う人もいる)が小さ過ぎて効率がバカバカしい程小さいからです。
厳密な説明は大学院レベルの教科書でないと書いていないし、理解不能です。
だけど超簡単に説明すると、
１.水素イオンや銅イオンは対極に向って「泳いでいない」
2.じゃあどうやって対極にたどり着くのか、と云うとただの「拡散」
3.だから電解に高い電位差(電圧)を掛けても、無意味で「煮立つ」
4.今回のNaＣlではNa^+とＣl^-は電荷を受け渡すだけで、何もしない。
5.受け渡す役が居ないとやたら遅い、だからそのために支持電解質が必要。
6.食塩も電荷を渡す以外何もせず、ほとんど意味が無いイオンの移動方法はやはり拡散しかない
7.では電極の周りで何が起きているかと言うと、いつも出て来る「電解二重層(イオン二重層、電気二重層が好きな人が居る)」が働いている、およそ水(今回は水媒体だから)二層、ここに含まれているイオンだけが電場に引かれ、電子とイオンを電極とやり取りする
8.ここから離れたらイオンはまたのんきに拡散で対極向けて旅をするが、ほとんどのイオンは対極に辿り着けず、終わりになる、別に消える訳じゃ無く、電解は電解質濃度が高い範囲で無いと効率が悪すぎる。
9.だから水の電解など工業的に行うと地獄だ

この回答へのお礼

ありがとうございます

４、NaイオンとClイオンの電荷を受け渡すだけで〜の部分を詳しく教えて欲しいです
一時的にNaやCl2といった状態になっているということですか

実はそれ以前に、銅イオンの分解云々の前に食塩水（指示電解質が入っていると）は電気を通す理屈も分かりません

今回の質問の解決にはこの理屈も必要なのでしょうか

必要であれば、これについても教えていただけると助かります

よろしくお願い致します

お礼日時：2015/08/08 21:12

No.3 回答者： htms42 回答日時： 2015/08/13 16:52

電池も電気分解も関係する電圧は１V付近にありますね。

１Vという値は実用電池（安定した電流の取りだせる電池）の最初といってもいいダニエル電池の起電力から決まったものです。高い電圧が必要であればダニエル電池を直列にして使います。ダニエル電池一個分、2個分、・・・が１V、2V、・・・なのです。１D、2D、・・・でよかったはずなんですがダニエル電池がボルタ電池の改良型であるという理解だったようですから名前としてはボルタになってしまいました（電池としては別物です。でも極板の種類が同じであれば同種の電池だと認識するのが一般的だったという事情があるようです）。
空気は普通、電流を流しません。もし１００V程度で電流が流れるのであれば電気器具のスイッチは全部アウトです。誘導コイルを使って電圧をかけると放電を見ることができます。放電に必要な電圧は放電棒（金属製）の距離によって変わります。おおまかな目安で1cmにつき１万Vです。
水溶液の電気分解でも同じように考えることができます。電気分解が起こると電流が流れます。電気分解が起こるためにはある限界の値よりも大きい電圧が必要です（食塩水に電気が流れるという場合でも同じです。食塩水にオームの法則を当てはめることはできません）。でも電圧の大きさが極端に違います。極板の間隔が必要な電圧の大きさとほとんど関係が無いというのも違います。ビーカーで5cm程度の間隔で電気分解をするのと工場で5mの間隔でやるのと比べます。距離が100倍になっても必要な電圧はほとんど変わらないのです。
この2つは連動しています。こういうことを実現するのが支持電解質の働きです。電極の間にある水溶液に正負のイオンがたくさんあればその部分で電位勾配が打ち消されます。この働きが効率よく起こるためにはある程度以上の濃度が必要です。

空気中で1cmの間隔で１万Vという電圧がかかっていると空気がイオン化します。電位勾配で考えると1μｍで１Vです。極板の間隔が5cmであっても極板のすぐ近く1μｍ程度の厚みのところにかけた電位差のほとんどが集中していればその付近にいるイオンや分子は空気中でイオン化する空気の分子と同じ条件にさらされているということになります。

反応が起こればイオンや分子の濃度分布に不均一が生じます。これは拡散によって解消されて行きます。電荷の不均一も生じます。これは支持電解質の分布がわずかに変わるだけで解消できます。元々熱運動しているのですから容易に起こります。

※食塩水に電気が流れたとします。電気分解が起こっています。電気分解が起こるのに必要な電圧以上かけないと電気は流れません。
これに首をかしげる人が多いです。
これには1つ条件があります。それを意識していないので首をかしげるのです。
交流と直流を混同しています。
直流では反応が起こることが電流の流れる条件です。交流では反応が起こっている必要はありません。

この回答へのお礼

お礼が遅くなりました、
回答ありがとうございます

空気中の放電の話との対比は、新鮮で勉強になりました

お礼日時：2015/08/15 22:33

No.2 回答者： tekcycle 回答日時： 2015/08/08 19:59

疑問を持ったらやってみる。

それが自由研究でしょ。
テスターで電流等を見ながら比較してみれば良い。
水は、
http://www.monotaro.com/p/4041/4017/
この辺りを準備してみれば良いでしょう。
勿論、スーパーで売っている寒天で固めたら全く意味がありませんがね。

この回答へのお礼

ありがとうございました

脱イオン水ではやってませんが、添加剤なし水のみ寒天での実験はやり、電気分解されないことを確認しました

お礼日時：2015/08/08 20:56