syllabus 53209 水10:30-12:00 114 C1 エネルギー化学 English korea 簡体繁体

前回

ファラデーの電気分解の法則

「どんだけ強力な還元剤を使ったとしてもカリウムを単離することは不可能だろうね」
「ならどうやって単離したんですか？」
「電気分解さ。ボルタの電堆を使ってデービーはカリウムを単離することに成功したんだ」
「なるほど」
「単離できたとなれば、次やりたいのは量産だよね」
「うんうん」
「ファラデーっておっさんが、地道な実験を積み重ね、１８３２年に電気分解によって析出する物質量n が通電した電気量 Q とに比例することを見出した」
式で書くとこうなる。

q=nF

このファラデー定数F=96485こそ、物質量と電気量を橋渡しするマジックナンバー、ファラデー定数です。目にも見えず、触れてもわからない電気の量を、物質の目方を測ることで定量したのです。

学生実験の銅の析出実験では、3mgの銅を析出させる課題が出されます。直径0.5mmの銅線を3cmほど硫酸銅水溶液に浸したとすると端面の面積を無視すれば円筒の表面積は3.14×0.5×30＝5mm^2＝0.05cm2。 20mA/cm2の電流密度とすると実際の通電電流は0.1mAです。さて、3mgの銅を析出させるには何秒間電解をすればいいか？

電気分解とファラデーの法則―銅クーロメーターと電気めっき―
学生実験
無機工業化学の電解精錬のところでも出てくるね。実測例
山下正通、小沢昭弥, 現代の電気化学, 丸善 , p.46 , (2012).

電量計

電気量を測る装置は電量計またはクーロメーターと呼びます。ボルタメーターと呼ぶこともありますが、ボルトメーターと紛らわしいので使わない方がいいでしょう。クーロメーターは測ろうとする電流を電解液に通じて、電気分解をして、析出した金属または気体の量を測り、ファラデーの電気分解の法則を使って、通じた電気の量を知る装置です。つまり、電流計を較正する装置です。主なクーロメーターとしては銀クーロメーター、銅クーロメーター、爆鳴気クーロメーターがあります。

電流が流れると近くにある方位磁針が振れます。電流に測る方法があるのか？それは流れた電気量と流した時間から決めることができます。

米沢高等工業学校本館から銀電量計を探してみよう。

銅クーロメーターは銀クーロメーターほど正確でないけれど、材料が安く便利なため広く使われます。ビーカーに銅板を浸し、一方をアノード、もう一方をカソードとします。欲組成の例としては１５０グラムの硫酸銅、５０グラムに硫酸および５０グラムのアルコールを水１０００グラムと混ぜたもの。空気があると銅が酸化する恐れがあるので、空気が液中に溶けるのを追い出すために、二酸化炭素または水素を細いガラス管で送ります。電流密度はカソード１平方センチにつき2～２０ミリアンペア程度。カソードは使用の前に一度電流を通じて、表面に新たに銅を付着させ、それを水洗い、アルコールで洗い乾かし、秤量し、測るべき電流を通じます。

1クーロンの電気で遊離される銀の質量はいくらか？また銅の質量はいくらか？また０度1気圧での爆鳴気の体積はいくらか？

電流計の表示が一定になるようにして硫酸銅水溶液中で銅を電解析出させたところ 10分間で5mgの銅が析出した。電流効率が１００％とすると流れた電流の平均値はいくらか？

銅の電解精製

電気分解を使って物質を作ったり、純度を高めたりすることができます。物質を作る電解製造としては、食塩を作るときの電気透析、食塩電解の塩素、アルミニウム精錬のアルミニムなどがあります。また純度を高めることでは銅の電解精製がよく知られています。

ただ実際には通電した電気量がすべて目的の物質量とはなりません。目的の物質が析出した割合を電流効率といいます。また平衡電位から求めた目的の物質の理論分解電圧よりよけいにかけた電圧を過電圧と言い、槽電圧のうち理論分解電圧の割合を電圧効率といいます。

電解精練（粗銅を陽極、純銅を陰極として電気分解を行う）の工程を施すことで、電気銅と呼ばれる純度99.99％の銅が得られる。
野村正勝・鈴鹿輝男. 最新工業化学より

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？

山下正通、小沢昭弥, 現代の電気化学, 丸善 , 工業電解プロセス p.118 , (2012).

銅めっき

ある金属を別の金属薄膜で覆う技術をめっきといいます。めっきはアノード酸化などとならぶ重要な表面技術です。カソードの表面に金属を電解析出させるめっきを電解めっきと言います。電気を使わず還元剤を使うめっきを無電解めっきと言います。溶かした金属にどぶづけするめっきもあります。すずをめっきして腐食しないようにした鉄板をブリキ板、亜鉛をめっきして傷がついたとき亜鉛が犠牲になって鉄板を守るようにしたのをトタン板と言います。

山下正通、小沢昭弥, 現代の電気化学, 丸善 , 装飾めっき p.144 , (2012).
無機工業化学：１０００℃、４Ｖが作る新幹線―非鉄金属― ロウソクの科学
https://www.youtube.com/watch?v=E1yAULdDvBo
https://www.genpaku.org/candle01/candlej1.html