電気化学

Electrochemistry

電子を失いやすい金属から受け取りやすい金属へ電子が流れると電流が生まれ、これがガルバニ電池の原理です。標準電極電位から起電力を求め、還元電位の大きい側が還元極になります。電気分解は外部電源で非自発反応を起こし、ファラデーの法則で析出質量を求められます。このページでは起電力を変え、ガルバニ電池の電子の流れを追い、電気分解と比較します。

電子の移動が電気を生む

💡 例え:水車

①高所の水が低所へ流れ水車を回す

②電気化学では'電子'が流れ仕事(電流)をする

③電子を失いやすい金属(Zn)から得やすい金属(Cu)へ電子が移動

④この電子の流れが'電流' — 電池の原理

⑤電池 = ガルバニ電池、メッキ = 電気分解

ガルバニ電池(化学電池)

起電力 E° (V)1.1

🔍 電池の動作原理を追え!

①Zn電極で:Zn → Zn²⁺ + 2e⁻(酸化、電子放出)

②電子は外部導線を通じてCu電極へ移動

③Cu電極で:Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu(還元、電子受容)

④塩橋:イオン移動で電気的中性を維持(なければ電流停止)

⑤電子は酸化極(−)から還元極(+)へ流れる

標準電極電位

起電力計算

E°_cell = E°_還元極 − E°_酸化極

還元電位が高い側が還元極(+)

主な標準還元電位

Chart標準還元電位 (25°C)

半反応	E° (V)
F₂ + 2e⁻ → 2F⁻	+2.87
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu	+0.34
2H⁺ + 2e⁻ → H₂ (SHE)	0.00
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn	-0.76
Li⁺ + e⁻ → Li	-3.04

💡 電位表の読み方

①E°大 = 還元されやすい(電子を受け取りやすい)

②E°小 = 酸化されやすい(電子を出しやすい)

③Zn-Cu電池:E° = 0.34 − (−0.76) = 1.10V

④SHE(標準水素電極)が基準(E° = 0.00V)

電気分解

ファラデーの法則

m = MItnF

m:析出質量、M:モル質量、I:電流、t:時間、n:電子数、F:96500 C/mol

ガルバニ電池 vs 電気分解

Chart2装置の比較

項目	ガルバニ電池	電気分解
エネルギー変換	化学→電気	電気→化学
自発性	自発的(E°>0)	非自発(外部電源必要)
酸化極	(−) 負極	(+) 正極
還元極	(+) 正極	(−) 負極
応用	乾電池、燃料電池	メッキ、電解精錬

例題で確認

例題 1

Zn-Cu ガルバニ電池の標準起電力 E°cell を求めよ。（E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 V、E°(Zn²⁺/Zn) = −0.76 V）

E°cell = E°(還元極) − E°(酸化極)。還元電位の大きい Cu が還元極(+)。

E°_cell = E°_還元極 − E°_酸化極

Cu が還元極、Zn が酸化極なので代入する。

E°_cell = 0.34 − (−0.76) = 1.10 V

▸ 1.10 V

還元電位の大きい方が還元極(+)。E°cell > 0 なら自発反応 → ガルバニ電池として働く。

例題 2

CuSO₄ 水溶液を 2 A で 5 分（300 秒）電気分解すると析出する Cu の質量は？（Cu モル質量 64、n = 2、F = 96500）

ファラデーの法則 m = MIt/nF を使う。まず電気量 It = 2 × 300 = 600 C。

m = MItnF, It = 2 × 300 = 600 C

値を代入する。

m = 64 × 6002 × 96500 ≈ 0.199 g

▸ 約 0.20 g

ファラデーの法則：析出質量は電気量(It)に比例、電子数 n に反比例。Cu²⁺ は n=2。

総まとめ

核心公式

E°_cell = E°_還元極 − E°_酸化極

E°cell > 0:自発反応(ガルバニ電池)

共通テスト類題

ガルバニ電池と電気分解についての説明として正しくないものは？

①ガルバニ電池は化学エネルギーを電気エネルギーに変える

②ガルバニ電池では酸化極は(−)極である

③電気分解は外部電源が必要な非自発反応である

④電気分解では酸化極は(−)極である

⑤どちらも酸化極で酸化、還元極で還元が起こる

▸ ④ 電気分解では酸化極は(−)極である

電気分解では外部電源の(+)端子につながる電極が酸化極 = (+)極。

電気分解の酸化極は(+)極なので ④ が正しくない（ガルバニ電池の酸化極が(−)極）。

🎯 試験ポイント

①E°cell = E°還元極 − E°酸化極 — 還元電位の大きい側が(+)極

②ガルバニ電池:自発反応、酸化極(−)、還元極(+)

③電気分解:非自発反応、酸化極(+)、還元極(−) ← 符号注意!

④ファラデーの法則:m = MIt/nF(析出質量計算)

⑤酸化 = 電子失う(OIL)、還元 = 電子得る(RIG)