高校受験の理科 水溶液の電気分解—電極で起こる変化をイオンの移動から考える｜武蔵野個別指導塾

塩化銅水溶液のイオンの移動と炭素電極での粒子の変化をたどります。焦点は水溶液の電気分解です。

よくあるのは、電気分解の図を見た中学生が、陰イオンは名前に「陰」があるので陰極へ移動すると考える場面です。電極の名前とイオンの名前を似た漢字で結ぶと、移動先が逆になります。電気の符号に注目し、電極に着いた粒子がどう変わるかまで追えば、見た目の変化にも理由をつけられます。

ここで扱うのは、炭素電極を使った塩化銅水溶液の電気分解です。装置は教室で観察する教材として考え、家庭で薬品を使ったり電流を流したりすることは勧めません。電池のしくみや他の水溶液の反応は扱いません。

何を手がかりに答えるか

出方の型は大きく3つあります。1つ目は電源と電極のつながりから、銅イオンと塩化物イオンの移動先を選ぶ問題です。電源の負極につながる電極を陰極、正極につながる電極を陽極と決め、それぞれの電気の符号とイオンの符号を見比べます。

2つ目は、電極付近の観察を粒子の変化と対応させる問題です。陰極に赤褐色の銅が付着することと、銅イオンが電子を受け取ることを結びます。陽極に発生する塩素についても、塩化物イオンが電子を失い、塩素分子になるまでをたどります。色やにおいの言葉だけを覚えても、どちらの電極かは決まりません。

3つ目は粒子の個数や電荷を数える問題です。化学式に付く数字と、前に置く係数には別の役割があります。個数を数えるときは、反応する前後で銅原子と塩素原子の数が変わらないこと、受け渡す電子の数が合うことを順に確かめます。観察した量から粒子数を求める場合は、問題に与えられた関係と条件を使います。

電極までの道と電極上の変化

塩化銅が水に溶けると、銅イオン Cu²⁺ と塩化物イオン Cl⁻ が水溶液中にあります。Cu²⁺ は正の電気を帯びた陽イオン、Cl⁻ は負の電気を帯びた陰イオンです。右上の符号は電気の種類を、2は銅イオン1個の電荷が正の2単位であることを示します。小さな数字を原子の個数と混同しないようにします。

図1のように、直流電源の負極につながる炭素電極が陰極、正極につながる炭素電極が陽極です。電源の極と液中の電極は別の場所ですが、導線でつながる側をたどると名称を決められます。反対の符号の電気どうしは引き合うので、正の銅イオンは陰極へ、負の塩化物イオンは陽極へ向かいます。

図1の矢印は水溶液中でのイオンの移動を示しています。陰極では、到着した銅イオンが電極から電子を受け取り、電気を帯びない銅原子になります。銅が電極に現れることを析出といいます。電子を受け取っても銅原子そのものが別の原子に変わるわけではありません。

陽極では塩化物イオンが電子を電極へ渡し、塩素原子になります。塩素原子2個が結びついて塩素分子 Cl₂ となり、気体が生じます。塩素には刺激臭があり、ぬらした青色リトマス紙を赤くした後に色をうすくする性質があります。確認のために直接においをかいだり、自分で発生させたりしないでください。

水溶液中の電流はイオンの移動によって生じ、導線中では電子が移動します。銅イオンや塩化物イオンが導線を通って反対側へ移るという意味ではありません。電源は電極に電子を供給し、もう一方から電子を受け取る役割を担います。

基本例題：粒子をそろえて数える

次は粒子の数を扱う自作のモデル問題です。実際の実験で数個の粒子を見分けるという意味ではありません。

問題　塩化銅水溶液に2本の炭素電極を入れ、直流電源の負極につないだ電極をA、正極につないだ電極をBとします。このモデルでは、Aで銅イオン6個がそれぞれ銅原子になり、その間にBでは塩化物イオン12個が反応しました。銅原子、塩素分子、両電極で受け渡された電子の個数を、それぞれ整数で答えてください。反応したイオンの変化は銅と塩素の生成のみとします。

図2のように、最初にAとBの電極の名を決めます。負極につながるAが陰極、正極につながるBが陽極です。符号の異なる電極へ、銅イオンはAに、塩化物イオンはBに移動します。

Aでは銅イオン1個が電子2個を受け取り、銅原子1個になります。銅イオン6個からできる銅原子の個数は、

6 × 1 = 6個

です。受け取る電子は1個の銅イオンにつき2個なので、

6 × 2 = 12個

です。図2の6個という数は反応した銅イオンの数であり、電子の数ではありません。

Bでは塩化物イオン1個が電子1個を渡し、塩素原子1個になります。その原子は2個で1個の塩素分子を作るので、できる分子は、

12 ÷ 2 = 6個

です。渡す電子の個数は、12 × 1 = 12個です。したがって、答えは銅原子6個、塩素分子6個、受け渡す電子はAでもBでも12個です。

答えを条件に戻すと、銅原子6個は銅イオン6個に対応します。塩素分子6個には塩素原子が6 × 2 = 12個あり、反応した塩化物イオン12個に対応します。両電極の電子数も12個で一致します。分子の個数とその中の原子の個数を別に数えたことが、条件への戻し方です。

変化を式で表すと、陰極は Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu、陽極は 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻ です。e⁻ は電子を表します。陰極の左側の電荷は正の2と負の2を合わせて0で、右側の銅原子も0です。陽極も左側の負の2と右側の電子2個の負の2が対応します。原子数と電荷の両方を見てから、全体を CuCl₂ → Cu + Cl₂ と表せます。

条件を変えるとどこで分かれるか

問題　同じく炭素電極を使う塩化銅水溶液のモデルで、はじめに銅イオンが14個、塩化物イオンが28個あります。通電中、銅イオンのうち5個が陰極で銅原子になり、塩化物イオンのうち10個が陽極で反応しました。ほかの反応や液外へのイオンの移動はないものとします。両イオンの残りの個数、できた塩素分子の個数、残ったイオンの電荷の合計を、整数で答えてください。電荷は電子1個分の大きさを1単位とします。

銅イオンは14個のうち5個が変化するので、14 − 5 = 9個が残ります。塩化物イオンは28個のうち10個が変化するので、28 − 10 = 18個が残ります。塩素分子は塩化物イオン2個から1個できるため、10 ÷ 2 = 5個です。

残った銅イオンの電荷は正の2単位が9個分で、正の18単位です。残った塩化物イオンの電荷は負の1単位が18個分で、負の18単位です。合計は0単位です。個数が同じでなくても、イオン1個当たりの電荷が異なるので、合計の電荷がつり合うことがあります。

条件に戻して調べます。残りの銅イオン9個と銅原子になった5個を合わせると14個、残りの塩化物イオン18個と反応した10個を合わせると28個です。塩素分子5個に含まれる塩素原子は5 × 2 = 10個で、反応した塩化物イオン10個に合います。銅イオン5個が受け取る電子は10個、塩化物イオン10個が渡す電子も10個です。

分かれ目は、問題が「はじめ」「変化した分」「残り」のどれを求めているかです。変化した数を聞かれていれば5個や10個を使い、残りを聞かれていれば最初の数から引きます。また、塩素原子10個と塩素分子5個は同じものを別の単位で数えています。答えの欄に何の個数を書くのか、最後に言葉を添えます。

間違えた答えを移動から直す

「塩化物イオンは陰イオンだから陰極へ行き、そこで塩素になる」という答えは、名前の「陰」をそろえた誤りです。原因は、名称の共通点だけを使い、電気の符号を見ていないことにあります。図3のように、Cl⁻ の負の符号と陽極の正の符号を見比べて、引き合う方向を矢印で結び直します。

図3では、誤った矢印を破線、正しい矢印を実線で示しています。正しい移動先を決めた後に、陽極で電子を失い、塩素分子が生じると続けます。電極の名前を先に隠し、電源との接続から陽極と陰極を付け直す練習も有効です。

別の誤答は「銅イオンが電子を失って銅になる」です。銅イオンは正の電気を帯び、銅原子は電気を帯びません。負の電気を持つ電子を受け取ると、正の電荷が打ち消されます。失うと正の電荷は打ち消されないので、変化の前後の符号を並べて修正します。

「塩化物イオン8個から塩素分子8個ができる」と答えた場合は、分子中の原子を数え直します。8個の塩化物イオンに含まれる塩素原子は8個で、塩素分子は2個の原子からなるため4個です。8個の分子では塩素原子が16個となり、元の数に戻りません。

観察結果の扱いにも注意が必要です。電源が切れていたり導線が外れていたりして変化が見えない場合、その結果だけでイオンが存在しないとは言えません。電極に付いた物質が見分けにくい場合も、見えなかったことと、銅が生成しなかったことは同じではありません。装置の接続や観察条件を確認してから判断します。

自分で確かめる4問

以下の問題では、特に断らない限り炭素電極を用い、直流電源につないだ塩化銅水溶液で銅と塩素が生じるものとします。粒子の個数は考え方を確かめるためのモデルです。

1. 電極Pは電源の正極、電極Qは負極につながっています。銅イオンと塩化物イオンはそれぞれP、Qのどちらへ向かいますか。また、各電極で生じる物質の名前を答えてください。
2. 陰極で銅イオン7個が銅原子になり、陽極で塩化物イオン14個が反応しました。できた銅原子と塩素分子の個数、各電極で受け渡す電子の個数を整数で答えてください。
3. はじめに銅イオンが20個、塩化物イオンが40個あります。そのうち銅イオン8個と塩化物イオン16個が反応し、ほかの反応や液外への移動はないものとします。残った各イオンの個数と、残ったイオン全体の電荷の合計を整数で答えてください。電荷の単位は電子1個分の大きさとします。
4. 電極Rに赤褐色の物質が付着したという記録があります。ただし電源との接続は記録されておらず、物質の種類も確認されていません。「Rは必ず陰極で銅が付着した」と断定できるでしょうか。判断に必要な確認を2つ挙げてください。

答えと考え方

1. 銅イオンはQ、塩化物イオンはPへ向かいます。Qは負極につながる陰極で、銅が生じます。Pは正極につながる陽極で、塩素が生じます。接続へ戻すと、正の銅イオンは負側のQ、負の塩化物イオンは正側のPに引かれ、両方の符号が合います。

2. 銅原子は7個、塩素分子は7個です。銅イオン1個につき電子2個を受け取るので、陰極では7 × 2 = 14個です。塩化物イオン1個につき電子1個を渡すので、陽極でも14個です。銅原子7個を元の銅イオン7個へ、塩素分子7個を塩素原子14個へ戻すと、いずれも問題の個数と一致します。

3. 銅イオンは20 − 8 = 12個、塩化物イオンは40 − 16 = 24個です。残りの電荷は、銅イオンが正の24単位、塩化物イオンが負の24単位なので合計0単位です。12 + 8 = 20、24 + 16 = 40と元の個数に戻ります。反応した銅イオンが受け取る電子は8 × 2 = 16個で、塩化物イオンが渡す16個とも一致します。

4. 断定できません。電源のどちらの極とRがつながっていたか、付着物が銅であることを示す確認結果があるかを調べます。赤褐色の記録は銅を考える手がかりですが、接続と物質の種類が未確認なので、それぞれを条件に戻して確かめる必要があります。反対に、負極との接続と銅の確認がともに記録されていれば、陰極で銅が析出したという説明と対応します。

覚えておくこと

• 正の銅イオンは陰極へ、負の塩化物イオンは陽極へ向かいます。
• 陰極では銅イオンが電子を受け取り、銅になります。
• 陽極では塩化物イオンが電子を渡し、塩素分子になります。
• 原子数と電子数を数え、残りを求めるときは変化した分を引きます。

つまずきを見分けるには

お子さまが電極を逆に答えたときは、正解の名前を先に伝える前に、電源の負極から導線を指でたどってもらいます。次に銅イオンの符号を書き、どちらの電極と引き合うかを説明できるかを見ます。接続をたどれない場合と、符号から引力を判断できない場合では、戻る場所が異なります。

個別指導で粒子数を確かめるときは、銅イオン1個が受け取る電子の数と、塩素分子1個に含まれる原子の数を別々に尋ねます。答えだけでなく、元のイオン数へ戻す途中も見れば、電子と原子を混ぜて数えた箇所が見つかります。電極、符号、粒子の変化を順に結ぶと、観察の理由を自分の言葉で説明できます。