電気化学:学習ガイド

重要なポイント

電気化学は、化学反応と電気エネルギーを結びつける。ガルバニ電池では自発的な酸化還元反応が電圧を生み、電気分解では加えた電流が反応を進める。

• 酸化はアノードで、還元はカソードで起こる。セルの電位は E°_セル = E°_カソード − E°_アノード で、正なら自発的な電池である。
• 自由エネルギーは ΔG° = −nFE° で、F = 96 485 C/mol、n は移動する電子の数である。
• 標準状態でないときは、25 °C でネルンストの式 E = E° − (0.0592 ÷ n) log₁₀ Q を使う。
• 電気分解のファラデーの法則: 電子の物質量 = It ÷ F、析出する質量は m = ItM ÷ (nF) である。

主な式

• E°_cell = E°_cathode − E°_anode
• ΔG° = −nFE°
• E = E° − (0.0592 ÷ n) log₁₀ Q (25 °C)
• m = ItM ÷ (nF)
• F = 96 485 C/mol

例題

Zn | Zn²⁺ ‖ Cu²⁺ | Cu では E° = 0.34 − (−0.76) = 1.10 V、ΔG° = −2 × 96 485 × 1.10 = −212 kJ/mol。[Zn²⁺] = 1.0 M、[Cu²⁺] = 0.010 M なら Q = 100 で E = 1.10 − (0.0592 ÷ 2) × log 100 = 1.10 − 0.059 = 1.04 V。2.0 A で 30 min 銅めっきすると m = 2.0 × 1800 × 63.5 ÷ (2 × 96 485) = 1.2 g が析出する。

よくある間違い

• 電位を逆の順序で引くこと、または半反応に係数をかけたときに E° を変えてしまうこと。
• ネルンストの式や ΔG の式の n が、つり合った反応式での電子数であることを忘れること。
• アノードとカソードを取り違えること。ガルバニ電池でも電解セルでも、酸化は常にアノードで起こる。

練習

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