電気分解

電気分解は、電極で化学反応を起こし、材料を分解する電解質を介して直流を通過することである。

電気分解を達成するために必要な主要な構成要素は、電解質、電極、および外部電源である。仕切り（例えばイオン交換膜か塩橋）は反対の電極の近くに拡散することからのプロダクトを保つために任意である。

電解質は、遊離イオンを含み、電流を運ぶ導電性イオン性化学物質である（例えば、, イオン伝導性高分子、溶液、または液体イオン化合物）。イオンが移動しない場合、ほとんどの固体塩のように、電気分解は起こりません。液体電解質は、以下によって生成される：

イオン性化合物と溶媒（水など）との溶媒和または反応によって移動イオンを生成する
加熱によって溶融したイオン性化合物

電極は、電解質を通ってそれらの間に電流が流れるような距離で分離されて浸漬され、電気回路を完成させる電源に接続される。, 電源によって供給される直流電流は、電解質中のイオンがそれぞれ反対に帯電した電極に向かって引き付けられる反応を駆動する。

金属、グラファイトおよび半導体材料の電極が広く使用されている。適切な電極の選択は、電極と電解質との間の化学反応性および製造コストに依存する。歴史的に、非反応性陽極が電気分解のために望まれたとき、グラファイト（ファラデーの時間のplumbagoと呼ばれる）またはプラチナは選ばれました。それらは陽極のための最も反応性の低い材料のいくつかであることが分かった。, 白金は他の材料に比べて非常にゆっくりと侵食され、黒鉛は崩壊し、aqueous液中で二酸化炭素を生成することができるが、そうでなければ反応に関与しない。陰極は、同じ材料で作られてもよく、または陽極での酸化により陽極摩耗が大きくなるため、より反応性の高い材料から作られてもよい。

電解のプロセス編集

電気分解の重要なプロセスは、印加された電流による電子の除去または添加による原子およびイオンの交換である。, 電気分解の所望の生成物は、多くの場合、電解質とは異なる物理的状態にあり、物理的プロセス（例えば、電極の上にガスを集めるか、または電解質から生

製品の量は電流に比例し、二つ以上の電解セルを同じ電源に直列に接続すると、セル内で生成される製品はその等価重量に比例します。これらはファラデーの電気分解の法則として知られています。

各電極は、反対の電荷のイオンを引き付ける。, 正に帯電したイオン（陽イオン）は、電子を提供する（負の）陰極に向かって移動する。負に帯電したイオン（アニオン）は、電子抽出（正）陽極に向かって移動する。このプロセスでは、電子は反応物質として陰極で効果的に導入され、生成物として陽極で除去される。化学では、電子の損失は酸化と呼ばれ、電子の利得は還元と呼ばれます。

電極表面のような中性原子や分子が電子を得たり失ったりすると、イオンになり、電解質に溶解して他のイオンと反応することがあります。,

イオンが電子を得たり失ったりして中性になると、電解質から分離する化合物を形成することがあります。層の陰極にCu2+の沈殿物のような肯定的な金属イオン。これのための言葉は電気めっき、electrowinning、およびelectorefiningです。

イオンが中性になることなく電子を得たり失ったりすると、その過程でその電荷が変化する。

例えば、塩水の電気分解は、電解質から泡立ち、回収される水素および塩素ガスを生成する。, 2NaCl+2H2O→2NaOH+H2+Cl2

陽極での反応は塩素イオンから塩素ガスをもたらす：

2Cl−→Cl2+2e−

陰極での反応は水素ガスと水酸化物イオンをもたらす：

2H2O+2e−→H2+2OH−

電極間に仕切りがなければ、陰極で生成されるOH−イオンは電解質全体に陽極に自由に拡散する。, 電解質がOH−の生成により塩基性になるにつれて、陽極で次亜塩素酸を生成する水酸化物と反応し始めると、より少ないCl2が溶液から出てくる：

Cl2+2NaOH→NaCl+NaClO+H2O

Cl2が溶液中でNaOHと相互作用しなければならない機会が多くなるほど、溶液の表面にCl2が出てくることが少なくなり、次亜塩素酸の生成がより速く進行する。これは、溶液温度、Cl2分子が溶液と接触する時間、およびNaOHの濃度などの要因に依存する。,

同様に、次亜塩素酸塩の濃度が増加するにつれて、それらから塩素酸塩が生成される：

3NaClO→NaClO3+2NaCl

水の自己イオン化や陰極における次亜塩素酸塩の分解などの他の反応が起こるが、後者の速度は電解質と接触する陰極の拡散や表面積などの要因に依存する。,

分解電位編集

分解電位または分解電圧とは、電解を行うために必要な電解セルの陽極と陰極の間の最小電圧（電極電位の差）を指す。電気分解が熱力学的に好ましい電圧は、ネルンスト方程式を用いて計算される電極電位の差である。過剰電位と呼ばれる追加の電圧を印加することは、反応速度を増加させることができ、しばしば熱力学的値よりも高く必要とされる。, 酸素、水素または塩素のようなガスを含む電気分解の反作用に特に必要です。

電気分解における酸化および還元編集

陽極でイオンまたは中性分子の酸化が起こる。例えば、陽極で鉄イオンを鉄イオンに酸化することが可能である：

Fe2+
（aq）→Fe3+
（aq）+e−

陰極でイオンまたは中性分子の還元が起こる。陰極でフェリシアン化物イオンをフェロシアン化物イオンに還元することができる：

Fe(CN)3-
6+e−→Fe(CN)4-
6

中性分子も電極のいずれかで反応することができる。, 例えば、p-ベンゾキノンは陰極でヒドロキノンに還元することができる：

+2e−+2H+→

最後の例では、H+イオン（水素イオン）も反応に関与し、溶液中の酸または溶媒自体（水、メタノールなど）によってもたらされる。). H+イオンを含む電気分解反応は、酸性溶液中ではかなり一般的である。アルカリ水溶液では、OH−（水酸化物イオン）を含む反応が一般的である。

時には、溶媒自体（通常は水）が電極で酸化または還元されることがあります。, 例えば、ガス拡散電極を使用することによって、ガスを含む電気分解を有することさえ可能である。

電気分解中のエネルギー変化編集

加えなければならない電気エネルギーの量は、反応のギブス自由エネルギーの変化に系内の損失を加えたもの損失は（理論的には）任意にゼロに近いことができるので、最大熱力学的効率は、反応の自由エネルギー変化で割ったエンタルピー変化に等しい。, ほとんどの場合、電気入力は反応のエンタルピー変化よりも大きいので、いくらかのエネルギーは熱の形で放出される。場合によっては、例えば、高温の水素および酸素への蒸気の電気分解で、反対は本当であり、熱エネルギーは吸収されます。この熱は周囲から吸収され、生成された水素の発熱量は電気入力よりも高い。

VariationsEdit

脈動電流はDCとは異なる製品をもたらします。, 例えば、パルス化は、希硫酸などの酸性水溶液の電気分解において、陽極で生成される酸素に対するオゾンの比率を増加させる。パルス電流によるエタノールの電気分解は、主に酸の代わりにアルデヒドを進化させる。

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電気分解における酸化および還元編集

電気分解中のエネルギー変化編集

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関連技術eedit