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教育状況公表
令和4年5月24日
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令和4年5月24日
この「アルミニウム電解槽」は、昭和電工（株）大町工場に設置され、 昭和９年（１９３４年）１月１１日、国産初の「アルミニウム」を生産したわが国最初の「電解槽」を、 当時のままに実物大に再生したものです。 大町市は、この「電解槽」から生産された国産アルミニウムにより、「アルミニウム発祥の地」の栄誉を、永遠に記録されることとなりました。
- 5.3.2. アルミニウムの精錬, p.134
山下正通、小沢昭弥. 現代の電気化学 . 丸善,2012-4-1 （ 参照 2021-1-14 ） .
物質に電気を流すことで、撹拌、加熱、加圧などで得られなかった新たな材料を作ることができます。 物質に通電するための仕組みの単位を、電解槽、セルといいます。 セルには電極があり、通電するだけでなく電気を取り出すのにも使います。この場合はセルを電池と呼びます。 セルをいくつか直列につないで、電気エネルギーを取り出せるようにしたものはバッテリーと呼びます。
てのひらに、１０円と１円をのせて、電圧を測ると、０ではありません。 これが 電池の起電力です。電流が流れていないにもかかわらず電圧があるのです。 電池では、電流と電圧が、そのまま比例しません。 電池は単なる電気抵抗ではないのです。
コイン電池の電位の高い方を正極と言います。電位の低い方を負極と言います。 十円玉と一円玉の正極はどちらでしょう？
手のひらにのせた十円玉と一円玉が接触すると、起電力はなくなります。 この状態を短絡、ショートと言います。 電位の高かった十円玉から、電位の低かった一円玉に電流が流れています。 一円玉から手のひらの汗に電流が流れ込み電気分解が起きます。
コインの電位序列を回路計で実測し、数直線に記入しましょう。 数直線の描画
物質量n〔mol〕と 電気量n〔C〕 は比例します。これをファラデーの電気分解の法則と言います。 比例定数はファラデー定数F＝96485.3415〔C/mol〕です。
一対の電極を備え電解質を支える一組をセルと言います。 工業電解では電解槽、エネルギーデバイスでは電池、研究用では電気化学セルなどと言います。 電気エネルギーを取り出す目的でセルを複数つないで構成したものはバッテリーと言います。
電解質は、電子絶縁体です。電池で、電子絶縁破壊が起きると、電気分解です。 コンデンサでは、電子絶縁体は、誘電体です。
化合物を表すのに化学式を使います。化学式には組成式やイオン式などがあります。 同様にセルの構成を表すのに電池式を使います。
一般に、電気の流れる向きを、横書き文字と同じように左から右に書くと読みやすいため、 左にアノード、右にカソードを書きます。 一次電池の場合は、左が負極、右が正極となります。
| 化学種 | 式 | 式の種類 | 例 |
|---|---|---|---|
| 水素 | 元素記号 | H | |
| 水 | 分子式 | H2O | |
| 水 | 電子式 | H:O:H | |
| 水 | 示成式 | H-O-H | |
| 水 | 構造式 | H-O-H | |
| 水素分子 | 分子式（化学式） | H2 | |
| 硫酸アルミニウム | 組成式（化学式） | 3Al2(SO4)3 | |
| 炭酸イオン | イオン式（化学式） | CO32- | |
| ダニエル電池 | 電池式 | Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu |
化学式には、組成式、構造式、示性式、電子式などがあります。 デジタル情報としては、 SMILES記法などがあります。 また伝統的なファイル形式として、mol形式などがあります。 XML形式としては、CML形式などがあります。
化合物を化学式で表すように、電解槽・電気化学セル・電池を表すには電池式があります。電池式はアノードを左側に書くのが慣例です。 電池式の縦棒（|）は相と相との界面を表しています。たとえばダニエル電池の電池式は下記のようになります。 電池の起電力の測定では、電池式からダニエル電池を組み立てることになります。
界面の厚みはないものとみなします。
| 注目する量 | 電極の名称 | 説明 |
|---|---|---|
| 電位に注目 | 正極 | 電位の高い電極、（＋）プラス。 正極活物質 は、電池放電時に、酸化剤。 |
| 負極 | 電位の低い電極、（－）マイナス。 負極活物質 は、電池放電時に、還元剤。 | |
| 電流に注目 | アノード | 電流が流れ込む電極。酸化反応が起きる電極。 放電するときは負極。 充電式電池では、充電のときは正極。 |
| カソード | 電流が流れ出る電極。還元反応が起きる電極。 放電するときは正極。 充電式電池では、充電のときは負極。 |
電池には電極があります。
酸化が起きる極をアノード、還元が起きる極をカソードと呼びます。 以前はアノードを陽極、カソードを陰極と呼びましたが、正極と陽極がまぎらわしいのでアノードと呼びます。 アノードは電流が外部回路から流れ込む極です。カソードは電流が外部回路へ流れ出す極です。 アノード、カソードは電流の向きに注目した呼び方です。 それとは別に正極と負極という呼び方があります。 電位の高い極を正極、電位の低い方を負極と呼びます。 正極、負極は電位の高低に注目した呼び方です。
ダニエル電池を放電するときは、負極の亜鉛が酸化して亜鉛イオンになります。 つまり負極がアノードです。 乾電池の負極も亜鉛です。 乾電池に豆電球をつないで点灯させているときも亜鉛が亜鉛イオンとなって溶け出していることになります。
無機工業化学・電気化学に記載されている電池をひとつ選び、その電池式を書きなさい。電池式の上に、その電池が放電しているときの回路図を書き、回路図に電極の呼び名も記入しなさいその図面を撮影してアップロードしなさい。
豆電球のスペックをみたところ、2.5Vの0.5Aでした。 このとき亜鉛が溶け出す反応速度をmol/sで求めてみましょう。
電極がアノードとカソードのふたつだけの電気化学セルを２極式セルと言います。 ２極式セルは電解液やセルの寸法の影響を受けやすいので、 特定の反応だけ見る場合は、３極式セルを使います。 ３極式では、電位が予めわかっている参照電極を使います。
特定の反応が起きている電極を参照電極を使って平衡電位を調べるとき、その電極を単極と言い、半電池と言います。電解液がまざらないよう塩橋でつなぎます。これを液絡と言います。
| 例 | 備考 | |
|---|---|---|
| 銀｜塩化銀電極 | AgCl + e- ↔ Ag + Cl- Eº = 0.2223V* | 温度、Cl-濃度に依存 |
| 水銀｜塩化水銀電極 | Hg2Cl2 + 2e- ↔ 2Hg(l) + 2Cl- Eº = 0.26816V * | 温度、Cl-濃度に依存 |
| 水銀｜酸化水銀電極 | HgO + H2O + 2e- ↔ Hg(l) + 2OH- Eº = 0.0977V * | アルカリ用、温度、OH-濃度に依存 |
| 水銀｜硫酸水銀電極 | Hg2SO4 + 2e- ↔ 2Hg(l) + SO42- Eº = 0.613V * | 酸性用、温度、SO42-濃度に依存 |
参照電極の例として銀塩化銀電極について調べ、銀塩化銀電極を参照電極として亜鉛亜鉛イオン電極と半電池を組み立てたときの電池式を書き、電位を測定するための実態配線図を書きなさい。
塩橋には、アニオンとカチオンの輸率が近しい 塩化カリウム水溶液などが使われます。
電気回路は電池の中で途切れているわけではありません。 電池の中で電流はイオンとしてアノードからカソードへ流れます。 電解液の中のイオンは 電界 E 〔V/m〕 によって 力 F 〔N〕 を受けるからです。 このようにイオンが力を受けて移動する道筋を電気力線といいます。 電気力線は途中で途切れることもなければ交わることもありません。
同じ電解液であれば、抵抗は電極間距離に比例し、断面積に反比例します。 このときの電極間距離と断面積の比をセル定数aと言います。
| 物理量 | 単位 | 凡例 |
|---|---|---|
| 電極間距離 d | m | 電界の強さ＝電圧÷電極間距離 |
| セル断面積 S | m² | 拡面倍率1で、平板モデルのとき電極面積≒セル断面積 |
| 電極面積 A | m² | 実験室でよく使う旗型電極の電極面積は 1cm²。 |
| セル定数 a | 1/m |
セル定数a＝電極間距離d÷セル断面積S コンダクタンス G ＝ 導電率 σ ÷セル定数 電気抵抗＝抵抗率ρ×セル定数a |
| バルク電流密度j | A/m2 | バルク 電流密度 j ＝ 電流I÷セル断面積 |
| 界面電流密度j | A/m2 | 界面 電流密度 j ＝ 電流I÷電極面積 |
| 電界の強さe | V/m | 電界の強さe ＝ 電圧V÷電極間距離 |
電池 は、 アノード、 カソード、電解質の 三要素 からなります。 電池で起きる現象は、 電解質などの バルクの現象、 アノードやカソードといった電極と電解質の 界面の現象に、分けられます。
| 計測可能 な 物理量 （セル） |
界面
の特性値 （面積） |
バルクの
物性値
（セル定数） |
|---|---|---|
| 電気抵抗R=電圧÷電流 |
反応抵抗Rct〔Ωm-2〕=電圧÷
表面
電流密度
接触抵抗 * ＝電圧÷表面電流密度 |
抵抗率ρ=電場強度÷
断面
電流密度
抵抗率ρ〔Ωm〕＝電気抵抗R〔Ω〕÷ セル定数 a〔1/m〕 抵抗率ρ=1÷導電率 |
| コンダクタンスG=1÷電気抵抗R | 導電率 σ〔Sm-1〕 、電気伝導度 | |
| 静電容量 （キャパシタンス）C | 電気二重層容量Cd〔Fm-2〕 | 誘電率 ε |
| インダクタンスL | 透磁率 μ |
電池の内部抵抗は、 バルク抵抗だけでなく、界面抵抗に左右されます。 溶液に金属を浸しただけのダニエル電池のような単純な電池では、バルク抵抗が支配的ですが、 合材電極や固体電解質を使うリチウムイオン電池のような複雑な電池では、界面抵抗が支配的です。 電池の内部抵抗の評価には、 交流評価と直流評価を組み合わせが必要です。
| 固体 | 液体 | 気体（真空） | |
|---|---|---|---|
| 固体 |
固固接触 面接触（例： ｐｎ接合） 線接触（三相界面）（例：正極合材） 点接触（三相界面）（例：固体電解質） |
固液界面 | 表面 |
| 液体 | 固液界面 （例：電極と電解液） | 液液界面 （例：水と油） | 気液界面 （表面） |
| 気体（真空） | 表面 | 気液界面 （表面） | （混合） |
空間電荷層を含みます。
セルは寸法が大切なので、三角法で製図しましょう。
銅めっき 米沢高等工業学校本館から 銀電量計を探してみよう。
アノードもカソードも銅だったら、理論分解電圧は何Vになるか？
