２００４年７月１日（木）　04ko2-13　ファラデーの法則

銅電極を用いて硫酸銅（II)水溶液の電気分解を行うと，陰極の銅板は質量が増加し，陽極の銅板は質量が減少します。それでは，陰極の質量の増加分と陽極の質量の減少分はどのような関係があるのでしょうか。また，この質量の増減は，回路を流れた電気量とどのような関係があるのでしょうか。 　電気分解のところで学んだように，白金電極を用いて硫酸銅（ＩＩ）水溶液の電気分解を行うと，陰極には銅が析出し，陽極からは酸素が発生しますね。では，析出する銅の質量と発生する酸素の体積は，何によって決まるのでしょうか。 　今日の勉強の内容は，次の通りです。 （１）電気量と物質量 （２）ファラデーの法則 （３）硫酸銅（II)水溶液の電気分解（銅電極） （４）硫酸銅（II)水溶液の電気分解（白金電極） 　最初は，電気量と物質量の関係です。電気の量を電気量といいます。電気量の単位にはクーロン（記号Ｃ）を使います。１Ｃは，１アンペアの電流が１秒間に運ぶ電気量に等しいのです。また，電子１個の電気量は１．６０２×１０−１９Ｃです。

１０　ファラデーの法則 （１）　電気量と物質量 　　　 ＣｕＣｌ２　→　Ｃｕ２＋　＋　２Ｃｌ− 　　　　陰極：Ｃｕ２＋　＋　２ｅ−　→　Ｃｕ 　　　　陽極：２Ｃｌ−　→　Ｃｌ２　＋　２ｅ− 　　　　単位時間に移動する電子の数→陰極と陽極で同じ 　　　　移動した電子の総数→陰極と陽極で同じ 　　　　電子２個が流れる→陰極：銅（�U）イオンが１個還元され，銅原子が１個できる 　　　　　　　　　　　　　　　　 陽極：塩化物イオンが２個酸化され，塩素分子が１個できる 　　　　電子２ｍｏｌ流れる→陰極：銅（�U）イオンが１ｍｏｌ還元され，銅原子が１ｍｏｌできる 　　　　　　　　　　　　　　　　 陽極：塩化物イオンが２ｍｏｌ酸化され，塩素分子が１ｍｏｌできる

電子１個の電気量は１．６０２×１０−１９Ｃであることがわかっていますから，電子１ｍｏｌの電気量は，１．６０２×１０−１９×６．０２２×１０２３≒９６５００〔Ｃ/ｍｏｌ〕ということになりますね。 　では，電気分解おける生成物の質量は，電気量とどのような関係があるのでしょうか。ここでは，イオンの価数に注目する必要があります。

（２）　ファラデーの法則 　　　 ９６５００Ｃ/ｍｏｌ＝ファラデー定数（Ｆ ）＝電子１ｍｏｌあたりの電気量 　　　　１８３３年ファラデー（イギリス）　電気分解の法則（ファラデーの法則） 　　　　電極で変化するイオンの物質量は，通じた電気量に比例する 　　　　同一の電気量を通じたときに，電極で変化するイオンの物質量は，イオンの価数に反比例する

マイケル・ファラデーはイングランドの貧しい家に生まれました。初等学校を終えると，１３歳で製本屋に奉公にいきました。そこで，製本しながら，その本を読み，知識を広げていったそうです。特に彼が興味を持ったのは。自然科学の本でした。たまたま，デービーの講演を聴き，そのときとったノートがきっかけで１８１３年に王立研究所の研究室にデービーの助手として採用されました。最初は時週給はわずかでしたが，次第に才能を発揮し，数年もたたないうちにデービーの仕事に匹敵する研究を行いました。１８２５年には，王立研究所におけるデービーの後継者となり，死ぬまでそこで活躍しました。 　現在使われている化学用語の中には，彼が命名したものが多くあります。例えば，電極（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ），電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ），電気分解（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ），陽極（ａｎｏｄｅ），陰極（ｃａｔｈｏｄｅ），イオン（ｉｏｎ），陰イオン（ａｎｉｏｎ），陽イオン（ｃａｔｉｏｎ）などです。 　ファラデーの業績は，電気分解の法則以外にベンゼンの発見（１８２５年）ナフタレンスルホン酸の発見（１８２６年）など化学の内容だけでなく，電気誘導現象の発見（１８３１年），電場・磁場の概念の確立（１８３７年）など物理学のものも多くあります。まさに，自然科学のスーパーマンですね。 それだけではありません。彼は１８２５年から１８６２年まで，王立研究所で金曜日の夜に公開講演を行いました。とくにクリスマス講義といって少年少女のためのわかりやすい講義を数回連続で開き大人気を博しました。それを１冊の本にまとめた「ロウソクの科学」は現在でもなお版を重ねています。

（３）　硫酸銅（ＩＩ）水溶液の電気分解（銅電極） 　　　　ＣｕＳＯ４　→　Ｃｕ２＋　＋　ＳＯ４２− 　　　　陽極：Ｃｕ　→　Ｃｕ２＋　＋　２ｅ− 　　　　陰極：Ｃｕ２＋　＋　２ｅ−　→　Ｃｕ 　　　　１．０〔Ａ〕の電流を３００〔秒〕通すと， 　　　　電気量＝１．０〔Ａ〕×３００〔秒〕＝３００〔Ｃ〕 　　　　１Ｆ ＝９６５００Ｃだから，３００〔Ｃ〕では，電子の物質量＝３００/９６５００＝０．００３１〔ｍｏｌ〕 　　　　析出もしくは溶解する銅の物質量は，電子の物質量の１/２だから， 　　　　６３．５５×１/２×０．００３１≒０．０９９〔ｇ〕 　　　　０．０１ｇの感量の天秤では０．１０ｇの質量の増減が期待できる

硫酸銅（ＩＩ）水溶液を白金電極を用いて電気分解すると，陽極から酸素が発生しましたね。では，銅電極を白金に変えて，他の条件がすべて同じだとすると，発生する酸素の体積はいくらになるでしょうか。

（４）　硫酸銅（ＩＩ）水溶液の電気分解（白金電極） 　　　 ＣｕＳＯ４　→　Ｃｕ２＋　＋　ＳＯ４２− 　　　　陽極：２Ｈ２Ｏ　→　Ｏ２　＋　４Ｈ＋　＋　４ｅ− 　　　　陰極：Ｃｕ２＋　＋　２ｅ−　→　Ｃｕ 　　　　１．０〔Ａ〕の電流を３００〔秒〕通すと， 　　　　電気量＝１．０〔Ａ〕×３００〔秒〕＝３００〔Ｃ〕 　　　　１Ｆ ＝９６５００Ｃだから，３００〔Ｃ〕では，電子の物質量＝３００/９６５００＝０．００３１〔ｍｏｌ〕 　　　　陽極から発生する酸素の物質量は，電子の物質量の１/４だから， 　　　　標準状態における体積＝２２．４×１/４×０．００３１×１０００≒１７〔ｍｌ 〕 　　　　陽極→標準状態で約１７ｍｌの酸素の発生が期待できる 　　　　陰極→約０．１０ｇの銅の析出が期待できる

ファラデーの法則を使うと，電気分解における物質の変化の量がわかります。とても便利ですね。この機会に，皆さんもファラデーのファンになりませんか。 　ファラデーはいうまでもなく偉大な化学者です。でも，彼の才能を見出し，育てた師デービーも偉大な人物ですね。彼は，融解塩電解を使って，１８０７年にカリウムとナトリウム，１８１０年に塩素を発見しています。 やはり，偉い先生のもとから偉大な人物が生まれるのですね。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　それでは，今日の勉強の確認をしましょう。 １．塩化物イオン２molを塩素分子１molにするには，何molの電子を取り除くことが必要ですか？→２mol ２．銅イオン１molを銅１molにするには，何molの電子を与えることが必要ですか？→２mol ３．電気分解では，流れた電気量と変化する物質の物質量は比例します。この法則を何といいますか。→ファラデーの法則 ４．電子１molは何Cですか？→９６５００C ５．５．０Aの電流を１０分間通すと，電気量は何Cですか？→３０００C