18.10
電気分解
ガルバニ電池では、自発的な酸化還元反応によって生成した電子が外部回路を介して移動することで、酸化還元系が外部回路に対して電気的な仕事をします。また、電気分解と呼ばれるプロセスでは、自発的ではない反応を起こすのに十分な電圧を外部回路から印加することで、酸化還元系に対して仕事をします。例えば、電池の充電…
ボルタ電池の自発的な酸化還元反応は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。あるいは、外部の電気エネルギーは、電解槽内で行われる電気分解と呼ばれるプロセスで非自発的な酸化還元反応を引き起こします。
電解セルには、酸化用の陽極と還元用の陰極があります。ただし、負に帯電したアノードが電子の源であるボルタ電池とは異なり、電解槽にはバッテリーのような外部電子源があります。
バッテリーは、正極に接続されたアノードから電子を引き込み、負極に接続されているカソードに向かって電子を駆動します。したがって、電子は外部電源の正極から負極に流れます。
電気分解は、イオン性化合物をそれらの構成元素に分離するために使用されます。溶融状態または水性の状態では、構成イオンは自由に電気を通すことができます。
734°Cの温度で溶ける臭化カリウムを考えてみましょう。ここでは、臭化物イオンとカリウムイオンは、それぞれ最も低い酸化状態または最も高い酸化状態で存在します。電力が供給されると、臭化物イオンはアノードで酸化されて臭素ガスになり、カリウムイオンはカソードで固体カリウムに還元されます。
ヨウ化ナトリウムや臭化カリウムなどの溶融イオン混合物では、標準的な電極電位を使用して、どの物質が反応するかを予測します。一般に、電極電位が低い陰イオンは酸化され、電極電位が正である陽イオンは減少します。
興味深いことに、臭化カリウム水溶液の電気分解は、水の電気分解の可能性があるため、溶融塩とは異なる生成物を生成します。
したがって、各電極で2つの反応が発生する可能性があります:アノードでの臭化物イオンまたは水の酸化と、カソードでのカリウムイオンまたは水の還元
。電極電位が低いため、臭化物イオンの臭素への酸化が好まれ、水の電極電位がより正のものであるため、水素ガスへの還元が促進されます。
半反応の化学量論は、電気分解中に生成または消費される物質の量を計算するために使用できます。
例えば、溶融臭化カリウムの電気分解では、1つの電子を使用してカリウム原子を形成します。したがって、セルを通過する電子の1モル、または96,485クーロンの電荷は、1モルまたは約39グラムの固体カリウムを生成します。
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: How does electrolysis differ from a voltaic cell?
Electrolysis uses external electrical energy to drive nonspontaneous redox reactions, while voltaic cells convert spontaneous chemical reactions into electrical energy. In electrolysis, an external power source like a battery supplies electrons to the cathode and draws them from the anode. This reverses the natural electron flow, enabling separation of ionic compounds into their constituent elements.
Q2: What determines which ions are oxidized or reduced during electrolysis?
Standard electrode potentials predict which substance reacts during electrolysis. Anions with lower electrode potentials are oxidized at the anode, while cations with more positive electrode potentials are reduced at the cathode. In aqueous solutions, water may also participate, competing with dissolved ions based on their relative electrode potentials.
Q3: Why does electrolysis of aqueous potassium bromide produce different products than molten potassium bromide?
In molten potassium bromide, only bromide and potassium ions are present. In aqueous solution, water molecules can also be oxidized or reduced. Bromide oxidation to bromine is favored at the anode due to lower electrode potential, while water reduction to hydrogen gas is favored at the cathode, producing different products than the molten salt.
Q4: How is electrical current related to the amount of substance produced in electrolysis?
Electrical current measures the rate of electron flow in amperes (coulombs per second). The total charge transferred equals current multiplied by time. Using stoichiometry of half-reactions and Faraday's constant (96,485 coulombs per mole of electrons), you can calculate the moles of substance produced or consumed during electrolysis.
Q5: What is the role of the anode and cathode in an electrolytic cell?
The anode is connected to the positive terminal of the battery and is where oxidation occurs. The cathode is connected to the negative terminal and is where reduction occurs. The external power source draws electrons from the anode and drives them toward the cathode, forcing nonspontaneous redox reactions to proceed.
Q6: How much potassium metal is produced from electrolysis of molten potassium bromide?
One mole of electrons produces one mole of potassium atoms through reduction at the cathode. Since one mole of electrons equals 96,485 coulombs of charge, passing this amount of charge through the cell produces approximately 39 grams of solid potassium metal.
Q7: What are practical applications of electrolysis?
Electrolysis is used to separate ionic compounds into constituent elements, refine metallic ores, manufacture commodity chemicals, and electroplate metallic coatings onto objects like jewelry and utensils. Battery recharging also uses electrolysis, driving the discharge reaction in reverse to restore the battery's composition and voltage.