実験 / experiment_electrochemistry

電気分解実験

水の電気分解を中心に、外部電源によって非自発的な酸化還元反応を進め、陰極と陽極で発生する物質を確認する実験教材です。

実験教材

難易度：標準目安：45分

# 実験 # 電気化学 # 電気分解 # 水の電気分解 # 陰極 # 陽極 # 酸化還元

この教材で学ぶこと

到達目標

電気分解が電気エネルギーで反応を進める操作であることを説明できる
陰極と陽極で起こる反応を区別できる
水の電気分解で発生する気体を説明できる
水素と酸素の体積比を説明できる

前提知識

酸化還元反応
電解質
イオン
気体の性質

図・写真

※スマホで画像が見づらい場合は、画像を拡大表示するか、別タブで開くと確認しやすいです。

水の電気分解装置の写真 — 水の電気分解では、電源につないだ電極で水素と酸素が発生する。

ホフマン電量計の写真 — ホフマン電量計は、水を電気分解して発生する水素と酸素の体積を比較しやすい装置である。

水の電気分解で陰極に水素、陽極に酸素が発生する模式図 — 水の電気分解では、陰極で水素、陽極で酸素が発生する。発生する気体の体積比はH₂:O₂=2:1である。

実験情報

目的

電気分解によって水を水素と酸素に分解し、陰極・陽極で起こる反応を確認する。

原理

電気分解は、外部電源から電気エネルギーを与えて、通常は自発的に進みにくい酸化還元反応を進める操作である。水の電気分解では、陰極で還元が起こって水素が発生し、陽極で酸化が起こって酸素が発生する。発生する水素と酸素の体積比は、化学反応式 2H₂O → 2H₂ + O₂ から2:1になる。

器具

電気分解装置
電源装置
電極
導線
試験管
保護メガネ

試薬

水
電解質を少量加えた水溶液
必要に応じて指示薬

手順

保護メガネを着用し、電源が切れていることを確認する。
電気分解装置に電解質を含む水溶液を入れる。
電極を電源につなぐ。
電源を入れ、陰極と陽極で気体が発生する様子を観察する。
発生した気体の量を比較する。
陰極側の気体を水素、陽極側の気体を酸素として性質を確認する。
実験後は電源を切り、装置を片付ける。

観察結果

試料	結果
陰極	水素が発生する
陽極	酸素が発生する
発生気体の体積	水素:酸素 = 約2:1
水素の確認	火を近づけるとポンと音を立てて燃える
酸素の確認	火のついた線香を激しく燃やす

安全上の注意

水素は可燃性なので、火を使う確認は少量で慎重に行う。
電源装置や導線をぬれた手で触らない。
電極や溶液の種類によって発生物が変わる場合があるため、指導者の指示に従う。
電源を入れたまま装置を分解しない。

廃液・廃棄

使用した電解質溶液は指導者の指示に従って処理する。
電極は洗浄して保管する。
装置は電源を切ってから片付ける。

早覚え表

印刷・PDF保存・CSVダウンロードに対応しています。

水の電気分解の基本

場所	反応	発生物	覚えるポイント
陰極	還元	H₂	水素が発生する
陽極	酸化	O₂	酸素が発生する
全体	2H₂O → 2H₂ + O₂	H₂とO₂	体積比は2:1
電解質	電流を流れやすくする	水溶液中のイオン	純水は電気を通しにくい

電池との比較

項目	電池	電気分解
エネルギー変換	化学エネルギー → 電気エネルギー	電気エネルギー → 化学変化
反応	自発的な酸化還元反応	外部電源で進める反応
負極・陰極	電池では負極で酸化	電気分解では陰極で還元
正極・陽極	電池では正極で還元	電気分解では陽極で酸化

覚え方・暗記ポイント

電気分解では外部電源を使う。

陰極では還元、陽極では酸化。

水の電気分解では陰極に水素、陽極に酸素。

水素と酸素の体積比は2:1。

純水は電気を通しにくいため、電解質を少量加える。

電池と電気分解では、極の考え方を混同しない。

1 電気分解のしくみ 2 陰極と陽極

1 電気分解のしくみ

電気分解は、外部から電気エネルギーを加えて化学反応を進める操作です。

電池が化学エネルギーから電気エネルギーを取り出すのに対して、電気分解では電気エネルギーを使って物質を変化させます。

水の電気分解では、水素と酸素が発生します。

確認ポイント

電気分解の目的を説明できる
電池との違いを説明できる
外部電源が必要な理由を説明できる

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2 陰極と陽極

電気分解では、陰極で還元、陽極で酸化が起こります。

水の電気分解では、陰極で水素、陽極で酸素が発生します。

反応式から、水素と酸素の体積比は2:1になります。