電解質の性質
電解質溶液に電極を置いて電圧をかけると、電解質は電気を通します。
学習目標
標準的な還元電位の表を使って、溶液中のどの種が還元または酸化されるかを決定します。
重要なポイント
重要なポイント
- 電流が溶液（多くの場合、電解質）を通過するとき、陽イオンまたは中性分子は陰極で還元され、陰イオンまたは中性分子は陽極で酸化されます。
- 溶液中のどの種が酸化され、どの種が還元されるかを決定するには、標準的な還元電位の表から熱力学的に最も実行可能なオプションを特定することができます。
- 実際には、純水を電気分解すると水素ガスが発生します。
主要な用語
- 電極：電気回路の金属部分と非金属部分の間で電流が通る端子で、電気分解では陰極と陽極が別々に溶液中に置かれる。
- 電子：マイナスの電荷を持ち、原子核の周りを回っている素粒子で、導体中の電子の流れが電気を構成する。
電気分解の性質
電解質溶液中に電極を置き、電圧をかけると、電解質は電気を通すようになる。 通常、単独の電子は電解液中を通過することはできず、陰極で化学反応が起こり、陽極の電子が消費される。 陽極では別の反応が起こり、電子が生成され、最終的には陰極に移動することになる。 その結果、正極の周りの電解質には負の電荷の雲が発生し、負極の周りには正の電荷が発生する。 電解質に含まれるイオンがこれらの電荷を中和することで、電子が流れ続け、反応が継続するのです。
例えば、普通の食卓塩（塩化ナトリウム、NaCl）を水に溶かした場合、正極の反応は、
2text{H}_{2}\{O}+2e^{-}\arrow2text{OH}^{-}+\{H}_{2}
水素ガスが発生します。
2\\NaCl}\rightarrow2\text{Na}^{+}+text{Cl}_2 + 2e^{-}
そして、塩素ガスが発生します。 正電荷のナトリウムイオンNa+は陰極側で反応してOH-の負電荷を中和し、負電荷の水酸化物イオンOH-は陽極側で反応してNa+の正電荷を中和する。
他のシステムでは、電極反応には、電解質のイオンだけでなく、電極の金属も関与します。 例えば電池では、電子親和力の異なる2つの物質を電極とし、外部では一方の電極から他方の電極へと電子が流れ、内部では電解質のイオンによって回路が閉じられている。
電極での酸化と還元
陽極ではイオンや中性分子の酸化が、陰極ではイオンや中性分子の還元が行われます。 還元は陰極で、酸化は陽極で起こることを覚えるための2つのニーモニックがあります。 “Red Cat」（還元-陰極）、「An Ox」（陽極-酸化）です。 酸化で電子を失う」「還元で電子を得る」ということを覚えるには、「LeO said GeR」というニーモニックが有効です。
text{Fe}^{2+}(aq)\arrow\text{Fe}^{3+}(aq)+e^{-}
中性分子もどちらの電極でも反応します。 例えば、p-Benzoquinoneは、陰極でhydroquinoneに還元されます：
+ 2 e^{-}.
ハイドロキノン：ハイドロキノンは、還元剤または電子供与体であり、有機分子です。
P-ベンゾキノンです。
最後の例では、H+イオン（水素イオン）も反応に参加しており、溶液中の酸や溶媒そのもの（水、メタノールなど）から供給されています。 H+イオンが関与する電気分解反応は酸性の溶液でよく見られ、OH-（水酸化イオン）が関与する反応はアルカリ性の水溶液でよく見られます。
酸化物質や還元物質は、溶媒（通常は水）や電極にもなります。
溶液中のどの種が酸化され、どの種が還元されるかを決定するために、各種の標準電極電位を標準還元電位の表から得ることができますが、その一部をここに示します。 これは示された反応の標準的な還元電位で、単位はボルトです。
歴史的には酸化電位を表にして計算に用いていましたが、現在は還元電位のみを表にするのが標準です。 問題で酸化電位の使用が求められている場合は、記録されている還元電位のマイナスとして解釈することができます。 例えば、上の表のデータを参照すると、元素であるナトリウム（Na(s)）の酸化は、E_{ox}^0 (V)= +2.71Vと非常に有利なプロセスである。これは、ナトリウム原子から電子が1つ失われると、希ガスであるネオンと同じ電子配置を持つナトリウムカチオンが生成されることから、直感的に理解できる。 この低エネルギーで安定した電子配置の生成は、明らかに好ましいプロセスである。 一方、塩素ガスは、表中のE_{red}^0 (V)=+1.36 Vの値から推測されるように、通常の環境下では還元される可能性がはるかに高い。 このように、電位が正であればあるほど、その反応が有利になることを思い出してください。