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電気分解とファラデーの法則md d8e16b7
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電気分解とファラデーの法則
chemistrytheoreticalhighschoollecture
2用語と定義
電気量 Q とは、流れた電荷の総量である。
Q=It
ファラデー定数 F とは、電子 1\ [\mathrm{mol(e^-)};\ \mathsf{N}_{\mathrm{amt}}] がもつ電気量の大きさである。
F\ [\mathrm{C/mol(e^-)};\ \mathsf{I}\mathsf{T}\mathsf{N}_{\mathrm{amt}}^{-1}]
3方針
電気分解の計算では、次の順序を固定する。
- 半反応式を書き、目的物質 1 mol に必要な電子 mol を読む。
- Q=It で電気量を求める。
- n(e^-)=Q/F で電子の物質量へ直す。
- 半反応式の係数比で目的物質の物質量へ移す。
4厳密な説明
4.1関係式 1:電気量から電子の物質量が出る
仮定として、流れた電気量を Q、ファラデー定数を F とする。結論は、電子の物質量が n(e^-)=Q/F であることである。
証明する。ファラデー定数 F は、電子 1\ [\mathrm{mol(e^-)};\ \mathsf{N}_{\mathrm{amt}}] がもつ電気量の大きさである。したがって、n(e^-) mol の電子が運ぶ電気量は Q=n(e^-)F である。F\neq 0 なので両辺を F で割り、n(e^-)=Q/F を得る。□
4.2関係式 2:析出量は半反応式の電子係数で決まる
仮定として、半反応式が \mathrm{M^{z+}+ze^-\rightarrow M} である。結論は、金属 \mathrm M の物質量が n(\mathrm M)=n(e^-)/z であることである。
証明する。半反応式は、\mathrm M 1 mol を生成するのに電子 z mol が必要であることを表す。したがって、電子 n(e^-) mol から生成できる \mathrm M は n(e^-)/z mol である。z は正の整数なので 0 ではない。□
5具体例
銅の析出では、
\mathrm{Cu^{2+}+2e^-\rightarrow Cu}
である。したがって、銅 1\ [\mathrm{mol(Cu)};\ \mathsf{N}_{\mathrm{amt}}] には電子 2\ [\mathrm{mol(e^-)};\ \mathsf{N}_{\mathrm{amt}}] が必要である。電子の物質量が分かれば、銅の物質量はその半分である。
6見分け方
| 与えられた量 | 最初の操作 |
| 電流 I と時間 t | Q=It |
| 電気量 Q | n(e^-)=Q/F |
| 析出物の質量 | 物質量へ直して電子と比較 |
| 半反応式 | 電子係数を読む |
7どこまで成立するか
この計算では、流れた電気量が目的の電極反応に使われることを仮定している。副反応や電流効率がある場合は、実際の析出量が理論量より小さくなる。
8最終形
\boxed{Q=It}
\boxed{n(e^-)=\frac{Q}{F}}
\boxed{n(\mathrm M)=\frac{n(e^-)}{z}}
9一言でいうと
電気分解の量的計算は、電気量を電子の物質量へ変換し、半反応式の係数で目的物質へ移す計算である。