大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
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A. pH電位図とは横軸pHで縦軸Eのグラフである。理論分解電圧とは電気分解を行うために理論上必要となる最小の電圧のことで、実際に実験で得た分解電圧との差を過電圧という。活性化エネルギーは過電圧に対応する概念で、過電圧を小さくすることでエネルギー効率を上げることができる。ΔGの差分だけでは反応は進行しないときには活性化エネルギーを利用している。 グループワークでは水電解のエネルギー変換効率を求めた。電解槽の温度が70℃、標準状態が25℃であるから、熱エネルギー収支を求めるには低圧モル熱容量にΔT＝70-25と、求めたい物質の反応式から得られる量論比を掛けることで求めることができる。 事後学習では分解電圧と理論分解電圧から過電圧を求める方法とエネルギー効率の高い電解槽の設計方法を考えた。過電圧は理論分解電圧から分解電圧を引くことで求めることができる。理論分解電圧はギブズの自由エネルギーΔGを（ーnF）で割ることで求められる。また、過電圧が小さくなる金属を電極として選べば、エネルギー効率の高い電解槽を設計することができる。
A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 ネルンストの式について、縦軸に電位[mV]、横軸に濃度（右側に酸化体）を取ると真ん中で標準酸化還元電位の0.75ｍVをとおり、右側に行くほど電位が高い形になる。アミノ酸のグラフに似ている。電位が高いということは酸化力があるということである。 H_2 Oは電気を流す。なぜなら水溶液中でH^+ 、OH^-に電離するからである。すなわち式の中にH^+ 、OH^-が入っているものはｐHの影響を受ける。 テキスト90ページのグラフについてZnの平衡反応にはH^+が存在しないため電位はｐHによらない。点線の傾きはRT/ｎ・Fである。①は水素の平衡反応を表している。ｐHが1の時のｙ切片の電位以下になると水素が発生する。②はｐHが1の時の電位は1.23ｍVである。これは理論分解電圧といい、起電力に等しい。 ｘ軸に電圧、y軸に電流を取ったグラフに表すと水の理論分解電圧1.23ｍV、分解電圧が1.7ｍVであることが読み取れる。このことから、過電圧は0.47mVであることが分かる。工業において過電圧を下げることが大切である。 ターフェルの式について、横に過電圧、縦に電流密度（電流）を取ったグラフに取ると、過電圧の増加により、電流は指数関数的に増加していくことが分かる。このとき電流の式に着目すると、アレニウスの式に等しいことが分かる。電流が0の時、反応速度も0ということになるがこれは見かけの反応速度であり、実際はある反応が同じ速度で起こっていることを表す。この時、反応速度がおなじ０でも各反応速度の大きさはわからない。過電圧が0の時の電流を交換電流密度という。交換電流密度はアレニウスの式のｋに等しい。 ②【発表の要旨】 演題 水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょう グループ名 空白 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 過電圧が活性化エネルギーに相当する。この、活性化エネルギーを下げることが工業において大切であり、活性化エネルギーが低ければ効率が良いと言える。 ③【復習の内容】 トピック名 分解電圧と理論分解電圧から過電圧を求めるには？ 分解電圧から理論分解電圧を引いた値が過電圧である。
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A. 水の電気分解では、分解電圧は電解質が分解を開始するために必要な最小電圧であり、理論分解電圧はギブス自由エネルギーから計算される理論値である。実際の分解には過電圧が加わり、例えば白金電極を用いた希硫酸の分解では、理論値1.23Vに対して実測値は約1.7Vとなり、過電圧は約0.47Vである。過電圧は電極材料や反応速度に依存し、電解効率に大きく影響する。 電極材料の選定は過電圧の低減に直結し、白金は低過電圧で高効率、ニッケルや鉄は高過電圧で効率が低下する。電解槽の設計では、過電圧の低い材料を選ぶことで必要電力を削減でき、コストやエネルギー消費の面で有利となる。さらに、電極の耐久性や腐食耐性も考慮することで、長期的な運用が可能になる。 水電解のエネルギー変換効率は、電解槽の設計と運転条件に依存する。例えばElectrolyzer Corp.の電解槽では、槽電圧1.90Vに対して理論分解電圧は1.18V、電圧効率は約62%、エネルギー変換効率は約72%である。残りの28%は廃熱として失われるため、効率向上には過電圧の低減が重要であり、再生可能エネルギーの有効利用に貢献する。
A.①水は一見すると電気を通さないように思われがちだが、実際にはわずかに電気を流す性質がある。これは水分子の一部が自己解離し、水素イオンと水酸化物イオンに分かれるオートプロトリシスと呼ばれる現象によるものである。この結果、純水中にも微量のイオンが存在し、電気が通る経路ができる。また、pHはこの水素イオンの濃度を示す指標であり、言い換えれば水がどの程度電気を通しやすいかを示す目安ともいえる。すなわち、pHは単に酸性・アルカリ性の尺度であるだけでなく、水溶液の導電性に関係する重要な指標でもあるといえる。 今回のグループワークは、水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょうである。 ②演題は水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょうで、グループ名はpH、属した人は、山口竜輝、佐藤光介、山根寿々、向田有稀、須藤春翔であり、役割は調査係。 条件は70°Cで、標準状態（25°C、1 atm）からの変換効率を求めるために計算準備をした所まで話し合った。 ③私は、pH測定と電極の原理について深めて調べた。 まず、pHを測定する際に使われる例として、ガラス電極が挙げられ、水素イオンの活量によって生じる電位差を利用してpHを測定する仕組みになっている。この電位差はネルンストの式に基づいていて、溶液中の水素イオンの濃度変化に応じて電位が変化する。具体的には、ガラス膜の内側と外側で水素イオン濃度に差があると、膜を挟んで電位差が生じ、それを電圧として読み取ることでpHを数値化する。この方法は高い精度でpHを測れるため、化学実験や医療、環境分析など幅広い分野で用いられている。ガラス電極は非常に感度が高く、微小な水素イオン濃度の違いも捉えることができるため、pHの正確な測定に不可欠な装置となっていることが分かった。
A.①ネルンストの式から横軸がpH、縦軸がEのグラフを描くことができるということを学んだ。還元体、酸化体に注意しながら式を作り、Fe2+のグラフとFe3+のグラフを描いた。また、pH電位図では、理論分解電圧だけではなく、過電圧も必要であると学んだ。電流というものは、電気量を時間で割ったものであるので、電流は反応速度を表すものである。ターフェルの式は、アレニウスの式の形と本質的に同じであることも学んだ。水の電気分解は今ではかなり古い技術であることが分かった。 ②グループワークでは、水電解のエネルギー変換効率を求めるお題で、これについて議論した。方針として、Electrolyzer Corpの電解槽において70℃における理論分解電圧を熱力学的データから算出し、実測値との差から過電圧と電圧効率を求める。そして、電力消費量と生成水素量からエネルギー変換効率を求める。議論では方針しか決めることができず、実際に計算して値を出すことができなかった。 ③授業で交換電流密度について触れていたので、交換電流密度についてまとめる。まず、交換電流密度は、電気化学、特に腐食や電極反応を理解するうえでとても重要な概念である。交換電流密度とは、電極反応が起こっていないときに、電極表面で単位面積あたりに実際には流れている微小な正味ゼロの電流密度のことである。電極反応が平衡状態にあるときに酸化反応と還元反応が同じ速さで起きていて、正味の電流がゼロになる。これが、交換電流密度の原理である。
A.①本講義では、ネルンストの式に基づく電位と濃度の関係を教科書をみて グラフを確認し、pHと電位の関係やオートプロトシスのメカニズムについて学んだ。鉄イオンの酸化式を例にネルンストの式に組み立て、縦軸E,横軸濃度としてグラフにプロットした。グラフから読み取ると電圧が上がるにつれて酸化力が高いことが分かった。また理論分解電圧についての話をし、水の理論分解電圧は1.23Vであるが実際は1.23V加えても電気分解されない。活性化エネルギー分の電圧がありておらずこれを過電圧という。また、過電圧はターフェルの式によってあらわせる。 ②グループワークでは水のエネルギー変換効率について話し合った。水の70℃での理論分解電圧は1.4Vであり、教科書で確認できた。化学式をたて、グラフで確認すると温度が上がると過電圧は大きくなることが分かった。 ③ネルンストの式とは濃度ナノ条件が標準状態でないときの電極電位を求める時の式である。
A. 講義では、鉄(Ⅲ)イオンと鉄(Ⅱ)イオンの酸化還元反応を例にネルンスト式を適用し、電位と活量の関係を理解した。電位はFe??の濃度が増加するにつれて上昇することがグラフから読み取れる。水の電離により、純水もわずかに導電性を持つが、実際にはプロトン濃度が10?? mol/Lと極めて小さいため、ほとんど電流は流れない。また、pH依存の電極反応についてpHと電位の関係をグラフ化した。理論的にはその直線の傾きは-RT/zFで表され、温度やイオン価数に依存する。水の電気分解には理論的に1.23Vが必要だが、実際にはそれ以上の電圧が必要となる。これは、活性化エネルギーの一種である過電圧ηの影響や、支持電解質の存在が関係するためである。 発表では、水電解槽であるElectrolyzer Corp.の電解槽を選び、1 atm、70℃における理論分解電圧を熱力学的データから算出した。この値と実験値との差から過電圧ηを求め、この結果を用いて教科書中の式から電圧効率を求めた。最後に、電力消費量と生成水素量からエネルギー変換効率を算出した。 復習では、ネルンスト式・ターフェル式・電圧効率式などを関連づけて、水電解における理論と実際の違いを数式で把握する力を高める必要があることを実感した。また、効率改善における温度・電極材・支持電解質の役割についても今後さらに深く学んだ。
A.①ネルンストの式のグラフの書き方を学んだ。例えば、鉄(Ⅲ)イオンから鉄(Ⅱ)イオンへの反応は以下のように書くことができFe?? + e? → Fe??、この反応は電子が1つ関与している反応であるため、ネルンストの式は以下のようになる。E = E? ー (RT / nF) ×ln (Fe??の活量/Fe??の活量)、これを元に縦軸を電圧、横軸に活量としたグラフを作成した。また、電極の反応では、反応を進めるためにさらなる電圧が必要になることがありそれを過電圧と言うが、それを横軸、電流を縦軸にとったターフェルの式のグラフも学んだ。このグラフは指数的に増加しアレニウスの式とセットで覚えた。 ②温度と電圧の関係を示した。過電圧が活性化エネルギーに相当することを示した。また、70℃で理論値である1.47Vになった。 ③pHが絡むネルンストの式に関して復習した。水素イオンが関与する電極反応では、pHが電位に影響をあたえる。pHが高いほど水素イオン濃度が低くなり、電極電位は低下する。ネルンストの式では水素イオン濃度を用いて計算されるため、pHの変化が電位に直接影響を与える。実際にE = E° - 0.0591 × pHに代入することで正味の電圧がわかる。
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A.①起電力はE°+RT/n/Fln([Fe3+]/[Fe2+])で表せる。ここでE°は標準酸化還元電位を表し、化学反応の進行方向を示す重要な値である。また、ln([Fe3+]/[Fe2+])に注目すると、Fe2+が多いと電圧が低く、Fe3+が多いと電圧が高くなることが分かるね。過電圧は知っているかな。過電圧をいかに小さくするか考えなければならないんだ。 ②「水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょう」グループ名：BBC KHANG、久保、山川、坂本、石毛 役割：調査 70℃での水電解圧は約1.17 VでBBCの電解槽だと総電圧2.04 V、過電圧は0.70 Vであった。効率は(1.17+0.7)/2.04*100で91.67%であると計算できた。 ③ 表5.5の水電解槽からBBCの電解槽を選んだ。過電圧は槽電圧から理論分解電圧を差し引いて求める。現代の電気化学p91の4.7,4.5式にある通り、理論分解電圧はpHに依存しない。水の標準生成ギブズエネルギーΔfG°は237.2kJ/molであり、標準生成エンタルピーΔfH°は、285kJ/molである。標準状態は1atm,25℃であるので、298.15Kである。ΔG=ΔH-TΔSであるから、298.15Kのときのエントロピー変化ΔSは163J/(mol K)である。 H2O(l)=H2(g)+1/2 O2(g)-285.8kJ ΔfH°=285.8kJ BBCの電解槽の温度は80℃であるので、そのときの理論分解電圧を求める。水（液）、水素（気）、酸素（気）の標準低圧モル熱容量Cp°は、それぞれ75.3J/mol/K,28.8J/mol/K,29.4J/mol/Kである。低圧モル熱容量の温度依存性はないと仮定する。BBCは加圧していないので力学エネルギーの収支は無いと仮定する。以上の過程とヘスの法則を使って25℃から80℃まで必要な熱エネルギーを収支を取る。
A.①第八回目の授業では現代の電気化学の教科書の図から電位-pHの図を学びました。図の実線で区切られた３つの領域A,B,Cはそれぞえ安定領域であることを示していて、Aの領域は金属で腐食が起こらないことから不活性態、Bの領域は実質的に腐食反応が停止したことを表す不働態、Cの領域は溶解が起こることから腐食域と呼ばれることがわかりました。また、過電圧と電圧の式で有名なものではターフェルの式があり、過電圧と電気エネルギーの式はアレニウスの式と同じであるということも学びました。 ②教科書から温度に対する理論分解電圧と理論稼働電圧のグラフを読み取りました。グループではElectrozerCorpの電解槽について、70℃における理論分解電圧を熱力学的データから算出し実測値との差から過電圧と電圧効率を求める、また電気消費量と生成水素からエネルギー変化効率を求めるということをまとめました。 ③授業の発展として分解電圧と理論分解電圧から過電圧を求める方法についてまとめました。過電圧は実際の分解電圧と理論分解電圧の差によって求めることができることや、電極の金属の種類を変えて、過電圧を調べることでエネルギー効率の高い電解槽が設計できる理由については主に反応のしやすさとエネルギー損失の最小化に関係していること、電解によって水素や酸素などを得る装置では入力するエネルギーが少ないほどエネルギー効率が高いことなどを調べました。
A. 講義では、燃料電池の基本原理とその多様な種類について学んだ。水素と酸素を用いた燃料電池において、化学エネルギーがどのようにして電気エネルギーへと変換されるのか、反応のメカニズムが詳細に説明された。アノードとカソードでの反応、イオンの移動、電子の流れといったプロセスが環境負荷の少ない方法で行われることが、燃料電池の大きな利点であると理解した。 私たちのグループでは、固体高分子形燃料電池（PEFC）を取り上げ、その構造と作動原理に加え、電位プロファイルを用いたエネルギー変換効率の図示と考察を行った。水素の酸化反応と酸素の還元反応における各電極の電位差から理論的な起電力を求め、それに基づいて実際のエネルギー変換効率を評価した。この図示により、燃料電池内部でのエネルギーの流れを視覚的に捉えることができ、発電の効率や課題について理解を深めることができた。 全体を通して、燃料電池の環境優位性だけでなく、実用化に向けた課題にも注目した。高価な触媒の使用や作動環境の制約、耐久性の確保といった点が、今後の技術的改善の鍵となる。また、他の発電手法と比較しながら、燃料電池がどのような場面で活用されうるかについても考察を深めた。講義と発表を通じて、エネルギー技術の仕組みを理論的にも実践的にも理解する力が養われたと実感している。
A.①Ｈ＾＋が入っている式はpHが関係しており、プロトンが入れば入るほどにEの値も上がることが和あった。RT/nFは理論分解電圧を指しており、これは起電力と似ており、電気を流していない間は区別をつけることができない。またターフェルの式についても学びこれは指数的に値が伸びていることがｗ買る。これはアレニウスの式に似ている。
A. 反応が可逆であると考えるのを平衡論、不可逆であると考えるのを速度論という。起電力を考える際に使える式としてネルンストの式を学んだ。理論分解電圧と実際に必要な電圧には差があり、活性化エネルギーに当たる過電圧を加える必要がある。電流は反応速度を示す。 この授業での演題は水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょうだった。共同著者は向田、山根、須藤、山口であった。電解槽70℃で標準状態の際について考えた。定圧モル熱量と温度変化をかけることでモル当たりのジュールが分かるところまで進めることが出来た。 復習では以下の内容を行った。前処理として基板表面を洗浄した後にフォトレジストを均一に塗布し、フォトマスクを当てながら紫外線をレジストに照射してパターンを形成したのちエッチングを行ってマスクと同じ回路を形成する。塩化鉄（Ⅲ）で銅が酸化される理由は鉄イオン（Ⅲ）の酸化還元反応の標準電極電位が0.771に対して銅の酸化還元反応の標準電極電位が0.337と低いため銅が酸化の方向へ反応が進む。
A.""【講義の再話】 水電解槽について、例を挙げて解説する。 水電解槽には、Electrolyzer Corp、BBC、Norsk Hydro、De Nora、Lyrgi 分解電圧 実際に反応が始まる電圧 理論分解電圧を超えたからと言って即座に電解が始まる 過電圧を言う。過電圧は電流密度を用いたターフェルの式で表される。""
A. 支持電解質にはH?SO?、NaOH、KOHがある。ターフェルの式とは、電流密度と過電圧ηの関係式であるButler-Volmer式を過電圧が大きい場合に近似し、単純化させた式のことを指す。交換電流密度は平衡時の電流密度であるため測定ができないが、ターフェルの式を用いたプロットであるターフェルプロットを使用することで、この交換電流密度も見積もることができるため、ターフェルの式は非常に重要な式であると言える。 演題は「水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょう」、グループ名はなし、共著者は鈴木純奈、須田琥珀、畑中勝浩、前田悠斗、私は調査を担当した。水の電解の式はH?O＝H?(気)＋1/2O?(気)、理論分解電圧1.18V、過電圧0.70V、エネルギー変換効率72％である。 復習として、電力効率について述べる。電力効率とは、供給された電力のうち、実際に利用される電力の割合を示すものである。効率が高いほどエネルギーの無駄が少なく、環境にも経済的にも優しい。発電から消費までの過程で損失が発生するため、効率を高める技術が重要であると感じた。電力を無駄なく使う工夫が、持続可能な社会の実現につながることを学んだ。
A.1/講義の再話：当日の授業では過電圧について学んだ。それは、電気化学反応において、理論的な平衡電位よりも実際に必要な電圧が高くなる現象を指す。これは、電極表面での反応速度や電子移動の遅れ、気体発生時の気泡形成などの影響によって生じる。過電圧は、水の電気分解や金属のめっき、腐食防止の電気化学プロセスで特に重要な要素である。過電圧が大きいとエネルギー効率が低下し、電力消費が増えるため、産業上は過電圧を抑えるための電極材料や触媒の研究が進められている。 2/発表の要旨：「水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょう」 教科書からBBCの電解槽を選びました。BBC電解槽は槽電圧2.04Vを持っています。温度８０℃での水素の過電圧はP.126の図5.3を参考にして1.17Vぐらいで、過電圧は0.77Vを取っています。この数値からエネルギーの変換率は以下になりました。 (1.17 + 0.77)/2.04 =95.1% では BBC電解槽のエネルギー変換効率は95.1％となります 3/復習の内容：希硫酸の電気分解では、理論上、水の電気分解反応が起こる。陰極では水素が発生し、陽極では酸素が発生する。このときの理論分解電圧は、水の酸化還元電位差であり、およそ1.23Vである。しかし実際に電気分解を行うと、それより高い電圧が必要となる。この実際に反応が始まる最小電圧を分解電圧といい、例えば白金電極を使った場合は約2.0V程度になる。 この差が過電圧（オーバーボルテージ）であり、 過電圧 = 分解電圧 － 理論分解電圧 の式で求められる。例えば分解電圧が2.0Vで理論値が1.23Vなら、過電圧は0.77Vである。 過電圧の大きさは、使用する電極金属の種類により異なる。例えば、ニッケルや鉄などは酸素発生の過電圧が大きく、白金やイリジウムなどは小さい。よって、過電圧の小さい金属を選べば、より低い電圧で反応が進行し、電力損失が少ない。これにより、エネルギー効率の高い電解槽の設計が可能になる。効率的な電解には、電極材料の選定が重要な役割を果たす。
A.第8回の授業「分解電圧―電気効率とターフェルの式」では、ネルンストの式に基づく電位と濃度の関係をグラフで確認し、pHと電位の関係やオートプロトシス（水の自己解離）のメカニズムについて学んだ。鉄(Ⅲ)イオンの酸化式を例にネルンストの式を組み立て、縦軸E、横軸濃度のグラフでどういう線を描くか学んだ。これを踏まえて、pH電位図（E?pH図）の読み方とその意義を教科書を用いて理解した。また、水の理論的な分解電圧と実際の電解に必要な電圧との違いを比較し、過電圧という概念を導入した。過電圧は、平衡状態から反応を進行させるために必要な追加の電圧であり、その背景には活性化エネルギーの存在があることを学んだ。さらに、過電圧と電流密度の関係を表すターフェルの式についても扱い、実験データとの対応について確認した。グループワークでは、さまざまな電気化学測定法について調査し、それぞれの特徴や測定可能な情報についてまとめた。
A. 電気化学において、反応は平衡論的には可逆反応で記述され、例えばCu??＋2e?⇔Cuで表される。一方、速度論的にはCu??＋2e?→Cuのように一方向の反応速度として扱う。電極電位はネルンスト式で表され、Fe??/Fe??系では 濃度比が電位に影響を与える。H?が関与する反応ではpHによって電位が変化するため、酸化ビスマスなどの電極電位もpH依存性を示す。ネルンスト式を対数表示すると、logグラフは直線となり、電極電位と濃度やpHとの関係が視覚的に理解できる。また、電気分解では理論分解電圧が重要で、これは温度上昇により低下するため、工業的には温度や圧力を上げてエネルギー効率を高めている。なお、水はわずかに電気を通すため電解可能であり、電流は反応速度に相当する。 グループワークでは過電圧の求め方についてディスカッションした。過電圧は槽電圧から理論分解電圧を差し引いて求めるものである。電解層の温度が70℃とあるので、その理論分解電圧がもとめられる。 ネルンストの式について調べた。ネルンストの式は、標準電極電位に濃度補正を加えた式であり、酸化還元反応やpH依存性を定量的に解析できる基本式である。
A. 平衡関係において、横軸に濃度(活量)、縦軸に電位をとったグラフはネルンストの式を用いて導くことができる。このときy切片は標準電極電位を通る。また、電位-pH図においては右肩下がりの直線の変化を示す。ギブスの自由エネルギーだけでは反応は進行せず、平衡電位からさらにずらすための活性化エネルギーが必要になる。電流を流すのに必要となるのが過電圧である。実演として、味しお溶液には0.37mAの電流が流れており、反応が進んでいることが確認できる。また、ターフェルの式について形がアレーニウスの式と類似している。 グループワークでは「水電解のエネルギー変換効率」について栗田さん、百々さん、植村さん、竹中さん、山口さんと議論を行った。変換効率を求める方法として、「Electrolyzer Corpの電解槽において70℃における理論分解電圧を熱力学的データから算出し実測値との差から過電圧と電圧効率を求まり、電力消費量と生成水素量からエネルギー変換率が求まる」ということが分かった。この方法に基づき、実際に計算する予定だった。 復習として過電圧についてさらに調べた。過電圧は、電極表面の性質、温度、電流密度、反応の種類によって大きく左右される。特に気体が発生する反応では過電圧が大きくなりやすく、電解効率が低下する原因となることが分かった。過電圧を低減するには、触媒の利用や電極材の工夫が有効である。これらの理解は、エネルギー変換技術の最適化に深く関わっていると感じた。
A.今回の授業ではBiO++2H++3e-=Bi(S)+H2O の式でグラフをかきました。式のなかに水素イオンや水酸化イオンが含まれることでphに関係するということが分かりました。賛成条件で亜鉛が安定で、phが上昇することで水酸化亜鉛や酸化亜鉛が安定すると分かりました。 過電圧は槽電圧―理論分解電圧で求められ、水の標準生成ギブスエネルギーは 237.2kJ/mol であり、標準生成エンタルピー285.5kJ/mol である。ΔG〇＝ΔH〇―TΔS〇よ り、ΔS〇は163J/mol・K である。ヘスの法則より25℃から 70℃に必要なエネルギー収支 をとる。ここで、H2O(液)＝H2(気)＋1/2O2(気)-284.369kJより70℃の生成エンタルピーΔ Hは284.3kJ/mol。ゆえに理論稼働電圧は1.47Vで、教科書から理論電解電圧は1.18V、槽電圧は1.90Vゆえに過電圧は0.70Vであり、電圧効率は62％である。 アレニウスの式について学びました。アレニウスの式は、反応速度定数 k が温度 T に依存することを示す式で、k = A exp(-E_a/RT) と表されます。ここで A は頻度因子、E_a は活性化エネルギー、R は気体定数です。温度が上がると分子の運動が活発になり、反応速度が速くなることを理論的に説明しています。
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A.①ネルンストの式のグラフとpH-電位図、過電圧、ターフェルの式などについて学びました。 ネルンストの式のグラフは、横軸に化合物、縦軸に電位 E をとったグラフになります。横軸の正の領域は酸化物の濃度、負の領域は還元物の濃度になります。また、縦軸切片は標準電極電位E°になることが分かりました。酸化物濃度が増加すると、アノード側が還元されていくので電圧 E は右上がりの曲線になり、還元物濃度が増加する（横軸が負の値になると）、カソード側が酸化されていくので E は左下がりの曲線になります。pH-電位図では、横軸がpHで、原点のpHは7です。pHが7の時の電位切片は標準電極電位E°となり、グラフは右下がりの曲線になっています。過電圧は理論分解電圧からのずれを表しています。過電圧を小さくすることが電池のエネルギー効率をあげることにつながっていることが分かりました。ターフェルの式は、過電圧を考慮した電流（∝反応速度）の式なのだと分かりました。 ②発表では、水分解のエネルギー変換効率を求めました。最後まで求めることはできませんでしたが、まず標準状態について考えました。気圧は1 atm、温度は25 ℃なので、298.15 Kとして、標準ギブス自由エネルギーと標準エントロピーを求めるところまでできました。標準ギブス自由エネルギーは、「ΔG=-nFE」によって求めました。ここで、 n は物質量ではなく電子数だということに、みんなと話し合うことで気づくことができました。 ③復習では、ターフェルの式について詳しく調べました。ターフェルの式は、電気化学反応における電流密度（A/m^2）と過電圧（v）の関係を示す式で、反応速度が過電圧にどのように依存するのかを定量的に表しています。「I=I(0)exp(zη/RT)」で表され、Iは反応速度（電流）、I(0)は電流密度、zは電子数、ηは過電圧、Rは気体定数、Tは温度を表しています。グラフでは、横軸が電流密度I(0)、縦軸が過電圧ηとなっており、過電圧が高くなると電流密度は急激に増加することが分かりました。 また、この式はアレニウスの式「ｋ＝A(0)exp(ΔE/RT)」(k:反応速度定数、A(0)：頻度因子、ΔE：活性化エネルギー、Ｒ：気体定数、Ｔ：反応温度)と事実的に同じだということも分かりました。
A.
A.①pHが低いとH?濃度が高く、酸性になる。水素イオン（H?）や水酸化物イオン（OH?）が関与する反応では、pHが電極電位に影響を与える。標準電極電位 E° にネルンストの式を適用すると、電位は H?濃度の対数に比例して変化するため、pHと電位の関係をグラフで表すと直線的になる。交換電流密度のグラフは過電圧と電流密度で表せる。電流と電圧の関係を描いたグラフでは、分解電圧と理論分解電圧の差を過電圧と呼ぶ。 ② 水電解のエネルギー変換効率の解き方などについてまとめた。過電圧は槽電圧から理論分解電圧を差し引いて求める。 H2O=H2+1/2O2 -285.8kJ H2O=H2+1/2O2 258.8kJ 電解槽の温度が70度であるため、そのときの理論分解電圧が求められる。 ③希硫酸では、理論分解電圧1.23Vと実際に電気分解が始まる電その差を計算し、過電圧を求めることができる。過電圧はη=Vd-Edの式で表され、この値は水素や酸素が発生する際に反応が起こりにくいために生じる余分な電圧であり、使用する電極の材質によって大きく異なる。例えば、白金は水素過電圧が非常に小さく、効率的に反応を起こせるのに対し、銅や亜鉛、水銀などは過電圧が大きく、同じ電解反応を起こすのにより多くのエネルギーを要する。したがって、電極材料を変えて過電圧の大きさを比較し、その値が小さい材料を選定することで、より少ないエネルギーで反応を進行させるエネルギー効率の高い電解槽の設計が可能になる。
A. 第8回の講義では、オートプロトリシスについて学んだ。オートプロトリシスとは、溶媒分子同士が互いにプロトンを授受する反応（自己イオン化）を指す。代表的な例としては水の電気分解H?O?H?＋OH?が挙げられる。また、ｐＨ－電位図についても学んだ。これは、正式はポーリング図や腐食電位－ｐＨ図と呼とも呼ばれ、ｐＨと電位条件により、ある金属がイオン・酸化物・塩といったどの状態で安定であるかを示す図である。横軸にｐＨ、縦軸に電位をとり、金属が不動態化する領域などを知ることができる。また、過電圧と電流の関係を表すターフェルの式についても学んだ。 グループディスカッションでは、「演題：過電圧について理解を深めよう（グループ名：左前、共著者名：大濱風花、山崎里歩、藤森隼也、松原周凛、西島光汰朗、役割：発言者）」というテーマで話し合いを行った。過電圧とは活性化エネルギーに相当する電圧である。水の電気分解について、横軸に電圧Ｖを、縦軸に電流Ｉをとると、指数関数のような形をとって徐々に上昇していくようなグラフが得られる。ｘ切片は起電力≒理論電解電圧を、グラフがほぼ直線になった部分に沿って線を伸ばしてｘ軸とぶつかった点は文化柄電圧を、そして理論分解電圧と分解電圧との差分を過電圧と呼ぶことが分かった。 発展内容として、過電圧についてさらに詳しく調査を行った。過電圧が生じる原因にはいくつか考えられ、活性化障壁による活性化過電圧、核酸や輸送による濃度過電圧、電気抵抗による抵抗過電圧などが挙げられることが分かった。この過電圧をいかに小さくするかが、省エネ社会やエネルギー効率向上の実現に大きく関わってくるのではないかと考えた。
A.①第八回は分解電圧やターフェルの式についての授業だった。鉄イオンを例としたネルンストの式はE＝E゜-RT/F(?Fe??－lnFe??)と表すことができる。これをグラフに表すと、Fe??の濃度が高くなったら電位は上がり、Fe??の濃度が高くなったら電位は低くなるということがわかる。このように濃度によって電位は変わり、pHによっても変化する。しかし水素イオンも水酸化物イオンも関与しない反応はpHが変化しても濃度が変わらないため電位も変化しない。次に理論分解電圧の話があった。水の理論分解電圧は1.23Vであるが、実際1.23Vの電圧を加えても水は電気分解されない。これは活性化エネルギー分の電圧が足りていないためである。この活性化エネルギー分の電圧のことを過電圧ηという。この過電圧をいかに小さくするかが工業的な課題である。また、過電圧はターフェルの式によって表される。 ②授業最後の演習では水電解のエネルギー変換効率を求めた。班名は左前、班員は大濱風花、立花小春、山崎里歩、松原周凜、西島光汰朗、藤森隼也の６人だった。水の７０℃での理論分解電圧は1.47Vであり、温度が上がると過電圧は大きくなることが分かった。 ③この授業の復習として、分解電圧と理論分解電圧から過電圧を求めた。例として銅の過電圧を求めた。銅の標準電極電位は0.34Vより、理論分解電圧は0.34Vである。よって例えば銅イオンの含まれる水溶液(CuSO?など)に1Vの電圧をかけた場合、過電圧は1-0.34＝0.66Vとなる。
A.ネルンストの式は電極反応における電位と濃度の関係を定量的に示すものである。ネルンストの式によれば、電極電位は標準電位に加えて、反応物と生成物の濃度比の対数に比例して変化する。これにより、濃度が変化すれば電位も変化し、それが過電圧や反応速度に影響を与える。ターフェルの式は過電圧と電流密度の対数の関係を示しており、これも濃度依存性を含んでいる。すなわち、濃度が低いと電極反応の駆動力が低下し、より高い過電圧が必要になるため、電力効率が低下する。よって、ネルンストの式とターフェルの式を組み合わせることで、濃度と電位の関係が電力効率に及ぼす影響を理解できる。 グループワークでは水電解のエネルギー変換効率の理解を行った。水電解層の例から電解層が選ばれた場合の計算式の理解を行った。発表ではp-n接合のグラフについて教科書から探った。p-n接合の順位エネルギーグラフにおける遷移領域は空乏層ともいいp型半導体とn型半導体が接触した際に形成される電荷がほとんどない領域のことである。この領域では、自由電子と正孔が再結合し、キャリアが極端に減少している。 復習としてターフェルの式についてより深く調べた。ターフェルの式は、電極反応における電流密度と過電圧の関係を示す式で、主に電気化学反応の速度解析に使われる。式は η = a + b?log?i の形で表され、ηは過電圧、iは電流密度、aとbは定数（bはターフェル勾配）を示す。 この式により、反応の律速段階や電極材料の活性、触媒効果を評価できるため、燃料電池や電解水素発生などの研究・設計において重要な役割を果たす。
A.１．化学反応式において平衡論を示す式のときには、両矢印を使い、速度論を示すときには、片矢印を使って示す。ネルンストの式を用いることで、活量など様々な関係性を導くことができる。ネルンストの式とは、電気化学において、電池の電極の電位 E を記述した式である。1889年にヴァルター・ネルンストによって提出されたとされるが、実際にネルンストが提出した式や考え方は、現在知られているものとは異なる。現在、広く受け入れられている式は、化学ポテンシャルの考え方に基づいて導出される。 ２．私たちのグループでは、グループ名を左前とし、ギブズの自由エネルギーの式から標準状態の物質のエネルギーやエンタルピーを計算し求め、ディスカッションした。 ３．アレニウスの式について調査した。アレニウスの式は、化学反応速度の温度依存性を予測するものであり、 部品の経年劣化の主因が温度である場合，部品の寿命τはアレニウスの式「τ＝A・exp（Ea/kT）」（A，Ea：故障モードごとに固有の定数，T：絶対温度，k：ボルツマン定数）で近似できるものである。
A.①理論分解電圧は起電力＝1.23。水は1.23Ｖで分解するのか考えた。理論電解分圧では足りないのでプラスして過電圧が必要となる。アジシオの電気分解は0.34mAだった。電流は反応速度である。アジシオの?は青紫と赤色に変化した。電流を流すためには過電圧が必要である。 ターフェルの式について。縦軸はI、横軸は過電圧ηで表す。アレニウスの式と形は一緒である。 ②発表では水の電解について調査した。理論分解電圧は1.18V、過電圧ηは0.70V、エネルギー変換効率は70%である。 ③交換電流密度について調査した。交換電流密度とは、電気化学反応における平衡状態での電流密度、つまり酸化還元反応で電子がやり取りされる速度を表す量である。正反応と逆反応が同じ速度で進行している平衡状態での電流密度である。平衡状態における電位を可逆電極電位と呼び、この電位における電流密度が交換電流密度となる。交換電流密度は金属と溶液の間でイオンが金属原子になったり、金属原子がイオンになったりする速度を表す。
A.この講義ではグラフから読み取れる過電圧についてやターフェルの式について学んだ。ターフェルの式は、電気化学反応の速度と過電圧の関係を記述する重要な式であり、具体的には電極反応における過電圧が電流密度の対数に比例することを示している。この式は、過電圧が比較的大きい領域で成立し、電極反応の速度が電子移動過程によって律速される場合に特に有効である。定数aとbは電極の材質や温度、電解液の組成などによって決まる。この式をグラフにすると（ログに直した状態で）直線になり、この傾きbは「ターフェル勾配」と呼ばれ、電極反応のメカニズムを解析する上で重要な情報を提供する。 発表では温度による活性化エネルギーの変異について調査した。まず図中の過電圧の部分が活性化エネルギーに相当する。この過電圧は全エネルギー-電気エネルギーで求められるが温度が上がる事に電気エネルギーは低下していき、相対的に過電圧は上昇していく。つまり、活性化エネルギーは温度上昇にともない大きくなっていくということが分かった。 復習としては過電圧というのは工業においてどのように利用されるのか気になったため調査を行った。過電圧は、特定の物質を効率的に製造する工業電解プロセスで重要な役割を果たす。例えば、塩素を製造する食塩水の電気分解では電極触媒を工夫して酸素の発生に必要な過電圧を大きくし、一方で目的の塩素ガス発生に必要な過電圧を小さくすることで塩素を選択的に高効率で得ている。また、電池の自己放電を防ぐためにも利用され、水素過電圧の大きい亜鉛を乾電池の負極に使うことで亜鉛が水素を発生して勝手に溶けてしまう反応を抑制している。このように、過電圧の大小を制御することで反応の選択性や効率を高めるために活用されていることが分かった。
A.
A. 対数プロットで、縦軸に電位を、横軸にpHをとると、右肩下がりの直線のグラフが得られる。例としてBiO++2H++3e-=Bi(S)+H2Oの式でグラフを描いた。式の中にH＋またはOH-が含まれていると、pHに関係する。亜鉛の電位pH図は、亜鉛の水溶液中での安定な化学形態を電位とpHの関係で示したものである。酸性条件では金属亜鉛（Zn）が安定で、pHが上昇するとZn??イオンや水酸化物（Zn(OH)?）、さらには酸化亜鉛（ZnO）などが優勢になる。特にpH 6～10の範囲ではZnOが安定に析出しやすく、電析や腐食挙動の予測に活用される。電位が高くなると酸化反応が進み、Zn??として溶解する領域が広がる。 過電圧は槽電圧―理論分解電圧で求められ、水の標準生成ギブスエネルギーは237.2kJ/molであり、標準生成エンタルピー285.5kJ/molである。ΔG〇＝ΔH〇―TΔS〇より、ΔS〇は163J/mol・Kである。ヘスの法則より25℃から70℃に必要なエネルギー収支をとる。ここで、H2O(液)＝H2(気)＋1/2O2(気)-284.369kJより70℃の生成エンタルピーΔHは284.3kJ/mol。ゆえに理論稼働電圧は1.47Vで、教科書から理論電解電圧は1.18V、槽電圧は1.90Vゆえに過電圧は0.70Vであり、電圧効率は62％である。 アレニウス式は、化学反応の速度定数 k が温度 T に依存する関係を示す式で、k =A0expΔE/RTと表される。ここで A０は頻度因子、ΔEは活性化エネルギー、R は気体定数。温度が上昇すると分子の運動エネルギーが増加し、反応が起こりやすくなるため、速度定数は指数関数的に増加する。この式は反応速度の温度依存性を定量的に理解・予測するための基本的な理論モデルであり、実験データから活性化エネルギーを求める際にも用いられる。
A.①今回はネルンストンの式への代入を復習として行った。ネルンストンの式を縦軸が電圧、横軸が濃度のグラフで表した。pHとは水がどれくらい流れるか表す指標である。水は電気を流さないと習っていたが、それは厳密に言えば間違いであり、水は微小に電気を通すことが分かった。また、ガスセンサは化学センサの中でもイオン電極に次いで実用化されている。ガス漏れセンサとは家庭台所でよく見かける都市ガスやプロパンガスのガス漏れ警報器である。 ②「水電解のエネルギー変換効率」グループ名りかちゃむ 榎本理沙、嶋貫莉花、羽生胡桃、遠藤由里香、白坂茉莉香 資料作成 グループワークでは水電解のエネルギー変換効率の理解を行った。水電解層の例から電解層が選ばれた場合の計算式の理解を行った。過電圧は槽電圧から理論分解圧力を引いた値である。また、ヘスの法則などを用いて必要なエネルギー収支をとった。よって過電圧より電圧効率を求めた。水電解のエネルギー変換効率一連の流れのおさらいすることでエネルギーについての理解を深めた。 ガスセンサについて気になり調べた。名の通り空気中にいるガスの検出・測定するための装置である。検知方式はそれぞれ4種類存在する。1つ目は半導体式であり、家庭用ガス警報器などに用いられる。電気化学式では高精度であるため工場の有毒ガス検知などに用いられる。 ③ガスセンサーについて気になり、調べた。名の通り空気中にいるガスの検出測定するための装置である。検知方式はそれぞれ4種類存在する。1つ目は半導体式であり、家庭用のガス警報機などに用いられる。電気化学式では高精度であるため、工場の有毒ガス検知などに用いられる。次は接触燃焼式である。これは都市ガス・プロパンガスの検知に用いられる。最後は非分散型赤外線である。温室効果、ガスの測定に用いられる。
A.
A.分解電圧とは、電気分解が開始する最小の電圧のことであり、具体的には水の電気分解を例に挙げると、理論分解電圧は1.23Vで水の電気分解は起こるはずであるが、実際にはより高い電圧が必要にあることがほとんどである。このとき、この過剰な電圧のことを過電圧という。 電力効率は、電気分解におけるエネルギー効率のことであり、例として理論的に必要な電圧が1.23Vで実際に1.80Vを印加したとしたら、 (1.23/1.80)×100=68.3％ということになる。このときの損失エネルギーは電極の過電圧、内部抵抗などの損失に起因する。そして、ターフェルの式は、過電圧と電流密度の関係を表すものであり、分解電圧においてターフェルの式で過電圧→0の極限に対応している。高い電流密度では、効率は悪くなり、過電圧は増大することになる。 ②グループワークでは、水分解のエネルギー変換効率について考えた。式については上記記述のものと同様である。 ③水の電気分解には3種類の技術がある。アルカリ水電解、高分子電解質膜電解、固体酸化物電解である。効率が最も高いのは、熱併用時に限るが、固体酸化物電解である。ただし、かなり高温の必要があることもあり、材料コストは高いことが短所である。アルカリ水電解は材料コストが比較的安く、効率もそこそこのため、大規模生産向けであるといえる。
A. 水溶液中の電気化学反応は、印加電圧と電流密度の関係で理解できる。水の電気分解を例にとると、理論的には一定の電圧で分解が始まるが、実際には過電圧と呼ばれる余分な電圧が必要となる。この過電圧は、電極と反応物質間の界面で生じる反応速度の遅れを補うものであり、活性化エネルギーと密接に関係している。ターフェルの式はこの現象を定量的に記述し、電流密度と過電圧の関係を示す。これは、物質が電極表面で電子の授受を行う際の障壁を乗り越えるエネルギーを考える上で不可欠な概念である。 電極近傍における電位プロファイルを作図し、電気二重層の構造や形成原理について議論した。イオンの分布や濃度勾配が電位に影響を与え、これが電極反応の進行や効率に関係することを理解した。 ネルンストの式に基づき、電極反応と電位の関係を計算し、電気二重層の挙動を理論的に検討した。電極界面の挙動は、電池やセンサの性能に大きく影響するため、精密な理解が必要であると感じた。
A.鉄イオンの半反応Fe^{3+} + e^- ? Fe^{2+}$の電位は、ネルンストの式E = E^0+ (RT/F) ln([Fe^{3+}]/[Fe^{2+}])によって、イオンの濃度に依存して変化する。純水中にH+とOH-は10-7含まれている。H+とOH-が含まれているものだとpHによって電位が変わる。 水の電気分解における理論分解電圧は1.23Vだが、実際に分解を起こすには、理論値以上の電圧、すなわち過電圧を加える必要がある。この過電圧は、活性化エネルギーに相当する分である。実際に分解が起こる電圧を分解電圧と呼び、理論分解電圧との差が過電圧となる。水の電気分解では、効率を高めるためにKOHのような支持電解質を加えるが、NaClを用いると塩素が発生してしまうため注意が必要である。過電圧と電流の関係は、ターフェルの式（I=I 0exp(zη/RT)）で表され、電流が過電圧に対して指数関数的に増加することを示している。これはアレニウスの式と本質的に同じであり、反応速度と活性化エネルギーの関係を表す。 1mol物質の熱量は定圧モル熱容量×温度変化で求めることができる。
A.①今回の講義では、pHに関することについて調査した。pHは水素イオン濃度が大きくなると小さくなる、logの関係があることがわかった。そのため、反応式に水素イオンが入っている反応はpHの影響を受けるものであることがわかった。また、それ以外に、理論電解分解電圧、ターフェルの式について調査した。 ② 今回のグループワークでは、水の電気分解におけるエネルギー変換効率について理解を深めた。具体的には、水電解層の構造や仕組みを学び、どの層が電解に関与しているかを確認した上で、電解層が選ばれた場合におけるエネルギー効率の計算式についても学習した。式の意味や、エネルギー損失の要因についても考察を行い、効率的な水電解の実現には電極材料や構造の工夫が重要であることを理解した。 ③ 今回はネルンストンの式への代入を復習として行った。ネルンストンの式を縦軸が電圧、横軸が濃度のグラフで表した。pHとは水がどれくらい流れるか表す指標である。水は電気を流さないと習っていたが、それは厳密に言えば間違いであり、水は微小に電気を通す。系統誤差となんとなく出てくる偶然誤差がある。また、ガスなどのセンサー装置について学んだ。ガスセンサは化学センサの中でもイオン電極に次いで実用化されている。ガス漏れセンサとは家庭台所でよく見かける都市ガスやプロパンガスのガス漏れ警報器などが挙げられ、どれも現代の時代で実用的に使われている。
A. ネルンストの式とは、電気化学において、電池の電極電位を示す。 水は平衡反応を示し、イオンに分解されるため、電気を通す。水素イオンは10の－７乗存在する。酸化力はｐHで変わる。ｐHが関わる反応は、水素イオンが含まれている反応である。ｐH低いと、水素イオン濃度が多い。水素イオン濃度を低くする方向に反応が進む。平衡電位はｐHに依存する。平衡電位より高い電位では左向きに、低いでは右向きに進行する。 支持電解質とは、液体に添加し、導電性を上げるための電解質である。過電圧とは、正常よりも高い電圧、また、電気化学反応において、理論電位と実際の電位との差を表す。 過電圧を小さくするにはどうすればいいかが省エネにつながる。電解質をどれを使うかなど考えていく。 電流I[Ｃ/s]は反応速度に比例する。ｄＱ[Ｃ]／ｄＴ[ｓ]＝ｎ[mol]となる。 過電圧と電流の関係をターフェルの式で表すことができ、縦軸が過電圧[V]、横軸が電流密度となり、指数関数的なグラフになる。アレニウスの式と形が似ている。交換電流密度とは、頻度因子に相当し、平衡状態(酸化剤と還元剤の間でやり取りされる)にある際の電流密度のことである。
A. 反応にH+やOH-を含むものはpHによって電位が変わる。ターフェルの式は電気化学反応における過電圧と電流密度の関係を表した方程式であり、η=a＋b log|J|（η:過電圧、J:電流密度、a・b:定数）と表される。また、温度と反応速度の関係を示す化学反応一般の式をアレニウスの式と呼ぶ。 水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょうの発表では電解槽の温度を70℃とした。グループ名は左真ん中であり、グループメンバーは私を含め、菅野隼太郎、浄閑祐輝、鈴木晴琉であった。また、私の役割は執筆であった。水の70℃での生成エンタルピーΔHは284.3kJ/molであり、ファラデー定数Fと反応に関与する電子数2で割ると、70℃での理論稼働電圧1.47Vが得られる。生成ギブズエネルギーΔGは生成エンタルピーΔHからTΔSを引いて228.4kJ/molとなる。これをファラデー定数Fと反応に関与する電子数2で割ると、1atm、70℃での理論分解電圧1.18Vが得られる。槽電圧1.90Vとあるので、これより理論分解電圧を引き、過電圧ηは0.70V、電圧効率は62%である。電解電力は4.9kWh/Nm^3H2であるから、水素を理想気体として単位換算すると 395.2kJ/molとなる。これを生成エンタルピーΔHで割れば、水電解のエネルギー変換効率72%と求められた。 平常演習のターフェルの式、バトラー・フォルマーの式、アレニウスの式ではターフェルの式、バトラー・フォルマーの式においてグラフが指数関数的に増加したり、減少したりするように描いた。さらに、バトラー・フォルマーの式においてはグラフが原点で点対称になるような図形を描いた。
A.【講義の再話】 気ｐ３６から電位がｐｈに依存しそうな反応を見つけ、グラフを書いた。電位ーｐH図という名前であった。 理論分解電圧と起電力は電気を流していなければ区別がつかない。また、ｐｔを端子として水やその他を溶媒とした電池では、水は電気を通すがとても少ないので、指示電解質をもった他の溶媒を適宜使っている。ま電圧分を上乗せして電池を作らなけれないけないが、これを工夫してなるべく削減するのが工業において大切だということも学んだ。アジシオで電気分解してる様子を見た。0.37ｍAの電流が流れていた。電極のついた紙の片側は青紫色に変化し、もう片方は赤色に変化した。電流は物質量と比例し、電流は反応速度を同じことであると復習した。 平衡状態にあっても交換電流密度が大きいもこと小さいものでは違う。 どの水電階層も温度が高い、これは温度を上げると効率が良くなるためである。 【発表の要旨】 演題は過電圧の求め方について、グループ名は空白であった。グループに属した人は高橋香桃花、三船歩美、原野美優、大阪琉音、鈴木結唯、増子香奈であった。自分が発表の創作に果たした役割は調査であった。 過電圧は槽電圧から理論分解電圧を差し引いて求めることができるとわかった。また、実際に計算を行った。電界槽の温度が70℃であるのでその時の理論分解電圧から求められるはずであった。 【復習の内容】 電解における過電圧について復習した。過電圧とは活性化エネルギーと同義であり、いかに活性化エネルギーを減らすかを考える事で過電圧を減らしより効率よく電解を行うことが大事であることが分かった。
A.水は10^(-7)mol/Lほどの微量な量ではあるがH?とOH?へとイオン化することから電気を微量ではあるが流すことが出来る。H?があることからpHとして表すことが出来る。?＝-log[H+]。このようなpHに依存しそうな反応を取り上げたものとして縦軸をpH、横軸を電位のグラフに示すpH電位図というものがある。ギブズの自由エネルギーΔGが負の値だと逆反応が起こらないことから活性化エネルギーΔEを加えて逆反応を起こすことが出来ることを学んだ。 演習は電気分解の基礎のおさらいとして、教科書より水電解槽の例からひとつ選び、理論分解電圧、過電圧、電圧効率と、電気で水素を得たときのエネルギー変換効率を求めた。70℃の水電解効率は1.17V、総電圧が2.04V、過電圧が0.7Vよりエネルギー変換効率は(1.17+0.7)/2.04×100=91.67%であると求めることが出来た。 演習としてターフェルの式とバトラー・フォルマ―の式、アレニウスの式をグラフに描いた。ターフェルの式は横軸を電流の対数、縦軸を電荷としたもの、バトラー・フォルマ―の式は横軸を原系や生成系の位置、縦軸をポテンシャルエネルギーにしたもの、アレニウスの式は横軸を時間の逆数、横軸を反応速度係数としたものである。
A.復習 ネルンストの式 Fe2+ E Fe3+ ネルンストの式のグラフ E=E°+RT/1?F(log[Fe3+]/[Fe2+]) pH=log(H+) H+.OH-を含む化学反応は全てpHに影響される 現代p90 電位とpHのグラフ 傾きはRT/zF pHが関わらないとまっすぐの線になる 理論分解電圧 みずは1.23Vで電離するか？しない。 水は電位を流すが、流しにくいので硫酸の電解質(支持電解質)を用いてイオンの数をあげる工夫が必要。100%硫酸は電気を流さないのでNaOHなどで薄める。 +活性化エネルギー(過電圧)を上乗せしないといけない ここがエンジニアの工夫のしどころ 実際にあじしおでやってみよ 0.38mA 電流iは反応速度を表す 1.4V 理論分解電圧は1.23ボルトだけど、実際に分解が始まる分解電圧は1.7ボルト この差が過電圧、少なくするのが省エネ プラチナは高い、どうする？ 石油で作ってた→二酸化炭素で地球ヤバイ→ 水の電気分解はかなりふるい技術、失われた技術 ターフェルの式 形としてはアレニウスの式と本質的には一緒 交換電流密度 現代 p127 5.5みず電解槽の例 温度が上がれば上がるほど効率は上がる
A.①ネルンストのグラフ、ph電位図などグラフや図について細かく学びました。 ②グループワークでは水の分解エネルギーについて計算しました。化学式を2式不連立することで理論分解電圧、過電圧、エネルギー変換効率を求めました。 ③ネルンストの式とグラフ
A.
A. ①テーマは分解電圧とターフェルの式についてである。まずは、現代の電気化学のp90に記載されている亜鉛の電位-pH図における直線の傾きは、ネルンストの式の傾きを表している。次に、水の理論分解電圧は1.23Vであるが実際に電気分解するには、理論分解電圧では足りないのでさらにエネルギーが必要である。このエネルギーを過電圧という。過電圧の式はターフェルの式で表され、アレニウスの式とは本質的には同じである。よって、式の形が類似している。 ②水電解のエネルギー変換効率を求める発表では、BBC社の水電解槽を選んだ。グループ名はBBCで、グループのメンバーは私を含めてHUYNHVINH KHANG、久保明裕、小笠原大地、山川騎生、坂本彩夏であった。BBC社の水電解槽を用いて計算を行い、エネルギー変換効率は91.67%と計算できた。 ③08-02【平常演習】「分解電圧と理論分解電圧から過電圧を求めるには？」で取り組んだ内容を次に示す。分解電圧は、実際に電気分解する際に必要な最小電圧のことであるのに対して、理論分解電圧は計算によって求められる最小電圧である。過電圧は分解電圧と理論分解電圧の差から求められる。また、電極の金属の種類を変えて、過電圧を調べることで、各金属の過電圧の値が分かる。過電圧が小さいほど無駄になるエネルギーが少なく、エネルギー効率が高くなるのでエネルギー効率の高い電解槽を設計することが可能になる。
A.今回はネルンストの式について考えました。電極電位が、標準電極電位と濃度によってどのように変化するかを示す式であり、今回は鉄を扱いました。Fe3+＋e-→Fe2+におけるネルンストの式は、E=E0＋(RT)/Fln(【Fe2+】/【Fe3+】)で表せることがわかりました。また、PHの変化は酸化還元反応によってかわることがわかりました。H+とOH-がないとPHに依存しないことがわかりました。一般的にPHが上がると酸化力が弱まり、還元力が上がることがわかりました。また、理論分解電圧について学びました。水を電気分解する時に理想的に必要な最小の電圧で、ギブズエネルギー変化から考えられることがわかりました。また、濃くなると電離しないことを学びました。交流電圧密度についても学習しました。酸化と還元が同時に起こる時の平衡状態での電流密度であることがわかりました。 グループワークでは、70℃での水電界圧を調べて、電解層の送電圧や過電圧を調べて、効率を求めました。
<!-- 課題 課題 課題 -->
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<q><cite>
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<!-- 課題 課題 課題 -->
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第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
