メタ坊のブロマガ

水と化学①水の電気分解

2020/05/11 19:00 投稿

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・化学って苦手。飛び飛びにしか知らない感じ。なのでちょっとおさらいしたい。でもイチからはじめるとたいへんなので、水について思い出しながら自分の化学知識をチェックして、どのへんからよくわかってないのか調べてみる。

 水はHO(エッチツーオー)なんですよ、というのは子供でも知っている。
水素はH、酸素はOみたいにモノを記号で表す。
 こういうHとかOとかを元素記号と呼んで、Oみたいにその物質の基本構成みたいな感じに示したものを化学式というのだった。
 
HやOと書いただけでは化学式にならない。ちょっと先走りした説明になるけど分子もしくはその物質の最小構成比でなければならない(分子を作らない物質もあるのでこういう言い方になる)のでHやO2が化学式になる。
 元素記号には原子番号というのも決まっていて、これがその元素の原子一つに含まれる陽子の数になって電子の数と等しいということになっている。

 水の電気分解みたいな実験をした記憶があって、電池に電極をつないで水の中に入れると
電極からあぶくが出てくる。これを集めて体積を測る。
 陰極側に体積2の気体、陽極側に体積1の気体がたまると参考書に書いてある。
 陰極っていうのは直流電源のマイナス側につながってる方。陽極はプラス側。

 この陰陽どちらに酸素水素どっちが発生するかってのが子供の暗記力できちんと覚えちゃった人は何でもないけど、そうでなかった私みたいな人は右ってお箸を持つ方だっけ?みたいにいちいち考えないといけない。

 水の電気分解実験の様子はいろいろ動画がある。短めのを選んでみた。
https://www.youtube.com/watch?v=MOAAtvvTj8c


 水→水素+酸素 になるのはわかった(本当は線香の火やマッチの火の確認だけでこれが酸素でこれが水素と言い切れるのかという疑問もあるんだけどそこは突っ込まない)。
 でも何で陰極に水素が沸いて陽極に酸素が沸くのか何でその比率が2対1なのか舞台裏がよくわからない。手元の中学の参考書には結果しか書いてないみたい。暗記科目みたいに覚えるしかないのか。

 化学反応式っていうのがあるらしい。水→水素+酸素だからその変化を記号で表すと

 O→H+H+→2H+O でいいかというとたぶん違う。
 化学反応式は物質がどう変化するかということなので矢印の右側も左側も物質の最小単位である分子(分子を作らない物質の場合は最小構成単位)じゃないといけないみたいな決まりがある。
 はそのまま分子だからいいとして、水素や酸素みたいな気体は回転寿司が2カンで一皿が基準みたいに原子二つで一つの分子になる。二原子分子とかわざわざ呼んだりする。一方でヘリウムとかアルゴンなんかは気体だけど高級なネタみたいに1カン1皿つまり1原子で1分子で単原子分子とか呼んだりする。
 なので水分子が酸素原子や水素原子になる、じゃ化学反応式としてはダメで、何個の水分子が何個の水素分子や酸素分子になるのかを原子の数合わせして示さないといけない。なのでさっきの化学反応式は酸素と水素の数をそれぞれ揃えて

 2HO→ H+H+H+H+ →2H+Oということになる。

 これで左右とも分子の形で表されて、Hは4個、Oは2個と原子の数も揃うことになる。

 教科書の見返しとかに周期表はついていたけど、どの元素が単原子分子を作ってどれが二原子分子を作るのか、みたいなことまでは書いてないので窒素は?フッ素は?みたいに個別に覚えないといけないし、酸素原子は二個で酸素分子だけど三個でオゾンを作ったりもするのでややこしい。中学高校レベルというか高校受験や大学受験にどこまでそうしたことを覚えればいいいのかがいまひとつつかみきれなかった気がする。

 今のをHO→H+(1/2)O みたいに書いてある本もあったと思う。

 こういう分数が化学反応式に入ってくる表現をどういう時にしてよくて、どういう時にふさわしくないのかよくわからない。分子が2分の1個というのはイメージはつかみにくい。
 比率さえ合ってればいいにはいいのだろうけど係数は自然数の方がいいような。そんなことが調べてもよくわからない。

 元素、原子、分子 という言葉もわかっているようで改めて聞かれると使い分けに戸惑ったりする。
 原子は物質を作る最小単位の粒子で化学的な方法で分割できる最小単位みたいな。
陽子や中性子や電子や、陽子や中性子を作るいわゆる素粒子は原子の構成要素みたいな。
 分子は物質の性質を示す最低単位みたいな。
 元素は原子とか分子とかあまり神経質に区別しないでざっくり呼ぶときの概念的な種類名
みたいな。
 具体的な質量とか個数とかを論じる時は原子と呼んで、そうでなく概念的に原子をグループ分けしたり順番に並べたりする場合は元素と呼ぶみたいな。どれも使い分けに厳密性を追求すると迷路に入っちゃうようなあいまいさを感じるんだけど、とりあえずそんなところで。
 
 化学反応式の一種に電離式というのもあるらしい。

 例えば塩は化学物質らしく呼ぶと塩化ナトリウムで、元素記号というか化学式というかで
表すとNaClになる。これを水に溶かした時の様子を

 NaCl →Na+ + Cl みたいに書く。
本当は+、-は右上に書くけどブロマガではそう書けないのでご勘弁。

 ナトリウム原子Naが一つと塩素原子Clが一つヒシと抱き合って塩になっているんだけど、抱き合い方はちょっと緩くて水に落ちるとすぐに離れてしまう。こういう現象を電離という。
その様子を今の式みたいに書いて電離式という。

 中学生向けの参考書だと「物質が水に溶けて陽イオンと陰イオンに分かれること」を電離という、みたいに書いてある。じゃあ空の電離層は別の電離なのか。気になるけど今は寄り道はやめておく。必ずしも水に溶けなくてもイオンに分かれれば電離なんだろうと予測する。
 イオンという言葉もよく聞くけどはっきりした定義はうろ覚え。言葉だと
「原子が電子を失ったり受け取ったりすると電気を帯びた状態となり、これをイオンという」と書いてあるけどこれだけではわからない。失い方とか受け取り方とか関係する電子の数とかいろんなパターンが含まれているけど、それをいちいち場合分けして説明せずに大雑把にまとめればこの文章になって間違ってはいないんだけど。

 本当は少し違うんだけど、原子の構造を太陽系みたいに原子の周りを電子が回っている、みたいに便宜的に書く。これで説明できることもいろいろあるから。

 するとナトリウム原子は原子番号11で電子の数が11個。電子は一番内側の軌道が2個、その次の軌道が8個入る。その外側の軌道には電子は1個だけ回っている(回っているという表現はちょっとアレなんだけど)。
 軌道には名前があるんだけど中学当時教わったか定かでない。どの軌道に何個入るかもちょっと定かでない。でもだいたい中学レベルだと3番目の軌道くらいまでしか話題にならないみたい。
 塩素の方は原子番号17で、電子は一番内側に2個、二番目に8個、三番目にも少なくとも8個は入るけど原子番号17だから7個しか入ってない。本当は18個まで入るけどそのへんは難しいので中学校では説明を避けて三番目の軌道にも8個までみたいなぼかした説明をしている様子。すると塩素は三番目の8個入れば安定する軌道に7個しか電子が入ってないよ、ということになる。

 そして一番外側の軌道にいる電子は凸凹を無くすように動きやすい性質がある。
ナトリウムの一番外側の電子は飛び出しやすいし、塩素の一番外側の7個の電子はよそから1個連れてきて8個になろうとする。

 でも原子は陽子の数と電子の数がもともと等しくて、陽子はプラスの電荷を持って電子はマイナスの電荷を持ってそれが釣り合っている。一番外側の電子が減ったり増えたりすると電気的にはプラスあるいはマイナス1個分釣り合いが崩れて、原子全体で電荷を帯びたようになる。これがイオンということになる。
 電子が飛び出ていけばマイナスが一つ減るのだから全体でプラスが一つ多くなる。
つまり原子は陽イオンになる。
 電子を捕まえた場合はマイナスが一つ増えて全体でマイナスが一つ多くなる。つまり陰イオンになる。ちなみに化学ではマイナスイオンとは呼ばないらしい。
 電子が減ると陽イオンになって、電子が増えると陰イオンになるというのがちょっと感覚的に逆な気がするけど借金が減ると陽気になって借金が増えると陰気になるみたいなものか。

 というわけでナトリウム原子は+の電気を帯びたナトリウムイオンとなり、
塩素原子はーの電気を帯びた塩素イオンとなる。手元の本にはこんな図が書いてある。


 つまり
 ナトリウム原子がナトリウムイオン(陽イオン)と電子に分かれ、
 塩素原子が電子を受け取って塩化物イオン(陰イオン)になる。
 この二つのイオンが出会えば引き寄せ合って塩化ナトリウムになる。

 塩化ナトリウム分子(とうっかり書いちゃったけど実際には塩化ナトリウムは結晶構造をとるとかで分子とは言わないらしい。無理に言うなら単体の塩化ナトリウム原子か。このへんの分子になるのと分子にならないのとか、原子1個で分子になるのとか2つや3つで分子になるのとかが私はあいまいだな)というのはナトリウムイオンの+と塩化物イオンの-が磁石みたいに引き付け合ってくっついている物質ということになるらしい。つまりイオンの帯びる電気の力でくっついている。こういうくっつき方をイオン結合ということになっている。

 ナトリウムイオンはNa+みたいに書く。本当は+は小さく右上に書く。
 同様に塩化物イオンはCl-みたいに書く。マイナスも小さく右上に書く。
ちょっと気になるのはナトリウムは原子でもイオンでもナトリウムがつくけど、塩素原子は
イオンになると塩素イオンとは呼ばないで塩化物イオンになっちゃう。昔は塩素イオンと呼んだ時代もあったらしいのだけど、いつどういうわけで変わったのかよくわからない。
https://okwave.jp/qa/q2195992.html

 手元の本にはこんなことが書いてある。
 


 

 ということで、昔は塩素イオンと習ったという人たちもいるみたいだけど今は塩化物イオンらしい。水酸化物イオンというのは私は水酸イオンと教わったような気もする。
 ナントカ原子をナントカイオンに変えるだけなら迷わないけどこういうのは子供にはきちんと教えないと戸惑うな。
 なので中学生は上の表にあるような基本的な元素はイオンになった時にプラスがつくのかマイナスがつくのか、銅イオンだと2+みたいに数字がつく場合はその数字とか陰イオンの場合はその名称とかをひたすら暗記しないといけないのかな。
 こういうのは先に周期表をみっちり学んだあとの方がいいように思うのだけど、みっちりできないのが今の実情かもしれない。そこの理解なしに数字や符号を丸暗記するんじゃつまらなそうだ。

 上の表によれば水素は陽イオンになってH
+(記号はもう少し小さく右上だけど)になる。

 この水素の陽イオンをプロトンとも呼ぶらしい。
 SFによく出てくるプロトン砲とかプロトン爆弾とかプロトン魚雷ってこれだったのか。

 でもこれは水素は原子核の周りを電子が1個だけ回ってる(回っているというのは語弊があるのだけど今はスルー)のだから、一番外側の電子を失えば確かにそうだろうけど、電子をもらって陰イオンになる場合もあるような気がする。
 そういう場合もあるみたいだけど、化学ではAもBもあり得るんだけど圧倒的にAになる場合の方が多数派でBはごくまれにしか起きない、みたいなことは多くて、中学レベルではAしか教えない、Bの存在は教科書にも載っていないみたいなことは多いんだと思う。
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20171031/index.html

 ということで中学レベルでは水素は条件反射のように陽イオンになると覚えるのかな。
そう覚えておけば連鎖的に電気分解すると「陽」が「陰」に引き寄せられて陰極から水素が発生するのも当然ということになる。陰極には次々にマイナスの電荷を持った電子がやってきて、+と電子が反応してH原子になっていく。
 酸素は陰イオンで酸化物イオンになって2マイナスと書いてあるから陽極から発生して、イオンの添え字は電子を何個失ったり受け取ったりしたかという意味だから、電子が2個動くと水素原子は2個発生するけど酸素原子は1個しか発生しない。
 水素分子と酸素分子になってもこの関係は同じだから、水素ガスが2発生すれば酸素ガス(とはあまり言わないけど)は1発生しますよ、ということになる。
 本当は違う物質である水素と酸素が何で電子1個の動きから発生する体積が同じなの?という疑問もわくんだけど、中学ではそこをしつこく説明はしないと思う。高校でアボガドロ数とかモルとか習うとわかるはず。

 水に電流を流すと分解して水素と酸素になるのはわかった。ではその時水の中で何が起きているのか。

 水中のH2O分子が、電流を流すことでイオンH+とイオンOH-に分かれてH+は陰極へ
行き、そこで電子を受け取ってHになって隣のHと肩を組んで水素分子になってこれは気体だから泡になって上昇して試験管とかの中に溜まっていって水素として回収される。
 OH-の方は陽極に行ってよくわからないけどOHの中のOがうまいこと酸素分子になって酸素として回収される・・・のであれば簡単なんだけどそうではないみたい。
 一応ほんの少しだけは2O分子はイオンH+とイオンOH-に分離しているんだけど、これだけではバンバン電流を流すには足りないらしい。なので水は電気を流しません、と教える。

 水の電気分解の実験は、普通の水では電流が十分流れないということでしれっと混ぜ物をする。水酸化ナトリウムとか硫酸と書いてあることが多い。こういうものは素人が扱うと危険な薬品なので子供だけでは実験ができない。なので先生がやってみせても、あるいは先生の指導通りにやってもなんか真面目な子供は納得できない。混ぜ物をしたら水の分解じゃないじゃん、みたいな気にもなる。

 同じくらいのタイミングで電池なんか習うと塩水が電気を流すと知っているので、どうせ混ぜ物をするなら簡単に手に入る塩でもいいじゃん、みたいにも思う。
 でも塩水だとうまく酸素と水素にならないで私はやったことないけど水素と塩素が出てきてしまうらしい。実験の規模ややり方にもよるけど塩素はたくさん吸い込めば危険だし、水素と塩素が気体の状態で混ざると条件によっては爆発の危険もあって、残った液中には水酸化ナトリウムが溶けた状態になるけどこれは腐食性があって皮膚につけばただれてや眼に入れば失明して飲めば死ぬこともあるあぶないもの。下水にも流せない。そんな危険を冒してもそもそもの目的であった水から酸素と水素を発生させることもできていないのでおすすめできない。

 そこそこ指導者がいればできそうな実験としてはこんなのがあった。この場合はミョウバンを使う。水素酸素の体積比はわからないけど水が燃える気体になったということはわかる。
 ミョウバンっていろんな料理に入っていて料理好きな人の台所には普通にあったりするらしい。でもその本名は硫酸カリウムアルミニウムもしくは硫酸アルミニウムカリウムだとのこと。化学式はAlK(SOって書いてあるけどいろいろ条件がついている。硫酸もアルミニウムも何だか物騒な気がする。そのせいかミョウバンを食品に入れるのは危険だと主張している人もいる。
https://kdc.csj.jp/learning/item_2291.html

 授業なんかで一般的に行われている実験の方では水酸化ナトリウムを使う。
すると結果だけ見ると水の電気分解は化学反応式では表面上は

 2O → 2+O みたいになるんだけど、
その陰には水がわずかに電離した水素イオンと水酸化物イオンだけではなくて水酸化ナトリウムから電離したイオンOH-が混ざりこんだ
複雑な反応が起きている。
 そのことは中学レベルでは教えないで、高校で理系コースを選択した人にだけ教えますよということみたい。

 そこは私には書ききれないけど、こんなHPや動画を見るとわかりやすい。
https://chuugakurika.com/2018/04/20/post-2263/
https://www.youtube.com/watch?v=py1dx7B2KVw

 このような化学反応を説明するためには中学レベルでは先ほどの化学反応式
 O → 2+O 
 だけしか出てこないみたいだけど、高校レベルだと

①溶液が化学反応がはじまる前にどんな状態だったかを式で示す
②化学反応によって陽極で何が起きたかを式で示す
③化学反応によって陰極で何が起きたかを式で示す
 
 ことが基本になるみたい。これで水の中に入れた混ぜ物がどのような暗躍をしていたかも
明らかになる。イオンを示す+-は元素記号の右上につくと思ってください。

①混ぜ物が水酸化ナトリウムだったのであればこんなふうに電離している。

 NaOH → Na+ + OH-

②陽極に水酸化物イオンが接近し、電子を失う。その結果OHができる。
 OHが4つ集まると反応して酸素分子一つと水分子二つになる。

 4OH- → O +2HO +4e-

 このOHというのは陰イオンの時には水酸化物イオンという名前だけどイオンじゃなくなってただのOHになるとオーエッチみたいに呼ばれることが多い。
 これは原子でも分子でもなくて、これにあと一つ何かくっつけば分子になるようないってみれば分子の部品みたいな。
 麻雀で言えばあと一つ何かがくればテンパイするイーシャンテン状態のような。
 そこで基(キ)というグループとして扱って、この場合には水酸化ナントカの部品だから水酸基などと呼んだりする。でも中学レベルだと基とか水酸基とかの用語は特に習わないみたい。手元の参考書には発展的知識みたいなコラムがあるだけ。 
 イメージとしては定食のごはんみたいなものでもいいと思う。これにいろんなおかずを組み合わせればナントカ定食になる。
 
基には水酸基以外にもいろいろ種類があるので、ごはんの他にもソバとかウドンとかトーストがあると思えばいいかな。

③陰極に水素イオンが接近し、電子をもらう。
 電子をもらった水素イオンは水素原子になって、隣同士で肩を組んだり手をつないだりするイメージで水素分子になる。この水素はどこからくるかというと、最初は電離していなかった水分子が電流が流れることで俺もやっぱり分離する、と言い出して発生するみたいな。

 2H+ + 2e- → H

 ①②③の式はどれも化学反応式の一種なんだけど、①みたいに何かが(水に落ちて)陰イオンと陽イオンに分かれた様子を示したものを特にさっきも書いた電離式といったりする。
 NaClみたいな場合は陰陽どっちがどっちかはさておきNaとClに分かれるのだろうというのはすぐに見当がつくけど、酢酸CH3COOHなんかはどこで分かれるの?と迷う。
 式の左側が一つの物質だけとは限らなくて、物質Aと物質Bが水中で反応して陰イオンと陽イオンに組み替えられることもあるみたい。

 NaOHは化学式だけど Na+ や OH- みたいなプラスマイナスがついた、つまり物質そのものじゃなくてそれがイオンになった状態を表す場合はイオン式と呼ぶ。本当はプラスマイナスは小さく右上に書きます。

 そして化学反応式にイオン式が含まれる場合は、電子のやりとりによってイオン式もしくは化学式によって示される物質が何から何に代わったかということに焦点があたるので特にイオン反応式と呼んだりする。②と③はイオン反応式ということになる。
 イオン反応式の場合は→の左右で原子の数だけではなくて電荷の数・電子の数も揃ってないといけない。

 電離式である①も含めて①②③の組み合わせ全体をイオン反応式と呼んでる先生もいるみたい。全部化学式で押し通してもいいのかもだけど、呼び方を分けるのはそれなりの都合があるんだろう。

 ということでもう一度まとめると
NaOH → Na+ + OH-
4OH- → O +2HO +4e-
2H+ + 2e- → H
 というのが水酸化ナトリウムを混ぜ物にした時の水の電気分解の様子を表す式ということになる。この総合結果として化学反応式
 O → 2+O
 のような化学反応が起きたことになる。
 ②と③を見ると発生するのはOとHで、酸素と水素の比が1対1みたいに見えるけど、
よく見ると②では電子が4つできているけど③ではその電子を2つしか使っていない。
なので③の変化は②が1回起こるときに2回起きている、つまり水素は酸素の倍発生している
ことになる。教科書では最低限の要素で書くから 
 2H+ + 2e- → H となるんだろうけど、私みたいにわかりの悪い生徒は
③(2H+ + 2e- → H)×2
 みたいに書いてもらった方がよくわかったかもしれない。
でもそうしないのが化学教育の一般的な流儀なんだろう。


 Na+なんかは最初から電離して水溶液中に存在しているんだけどその後何も変化しないので
②にも③にも最後の化学反応式にも出てこない。逆にいえばそういう何にもしない人ははぶいてまとめたのが化学反応式ということにもなる。
 何で水素イオンばっかり電子を受け取ってナトリウムイオンは電子を受け取らないの、とか4OHは酸素と水にならないで、酸素と水素になるルートもあるんじゃないの、とかいうのもはしこい子供は気になったりするけどそういうのは高校でイオン化傾向とか習うまではとりあえずそういうもんだと思ってもらう。


 というわけで、水の電気分解と言ってるけど何か分解されているのは混ぜ物の水酸化ナトリウムの方のような気がするのだが、これを学校教育では水の電気分解と言い張っている。

 混ぜ物は水酸化ナトリウムに限るわけではなくて、硫酸(H2SO4)でもいい。
この場合①②③の式は次のようになる。陰陽逆だけど。
 これもパっと見水素と酸素の発生比率が1対1に見えるけど、電子は陽極で4個発生しているので陰極側の変化は2セットできることになるんだろう。
 そして硫酸イオンSO42-は(本当は2-は右上に小さく書く)先ほどのナトリウムイオンと同様に電子の授受にはかかわらないでそこにいるだけということだろう。

https://www.nhk.or.jp/kokokoza/tv/kagakukiso/archive/chapter038.html

 ISSにも水を分解して酸素を得る装置があったはずだけど、これはどういう仕組みなんだろう。
https://fanfun.jaxa.jp/faq/detail/80.html

 JAXAホームページを見てみたけど、大雑把なことしかわからない。水を直接分解しているわけではないと思うので何を混ぜ物にしてどのような化学反応式が起きているのか知りたいところ。
 混ぜ物を宇宙飛行士が時々足してやる必要があるのか、それとも水だけ足してやればいいんだろうか。時々電極を交換したりするんだろうか。

 こうやっておさらいしてみて、元素と電子と分子(と分子にならない物質)の区別とか記号での呼び方とか、化学式と化学反応式と電離式という三種類の式の意味と使い分けとかさらにイオン式とイオン反応式という二つの式の意味と使い分けとかイオンって何?とか何が陽イオンになって何が陰イオンになるかなんて全然覚えてなかったということがよくわかった。
 塩化物イオンみたいなイオンの呼び方も知らなかった。
 水の電気分解も安全そうな塩水でやるとうまく酸素と水素にならないで要注意の塩素とか出てきてしまうけど、取り扱い注意の水酸化ナトリウムとか硫酸とか使うとうまく水素と酸素になるという、安全な材料から危険なものができて危険な材料を使うと安全なものができるというままならないところがあるということがなんとなくわかった。

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