ファラデーの法則と電気分解の利用
カメレオン先生まず電気量Q＝Itを求め、ファラデー定数Fで割って電子の物質量にする。そこから反応式の係数比で求めたい物質の量に進もう。
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- 電気量（新しいタブで開きます）Q〔C〕は電流I〔A〕と時間t〔s〕の積Q＝Itで求められ、流れた電子の物質量はQをファラデー定数F＝9.65×10⁴C/molで割って求める。
- 電極で変化する物質の物質量は、流れた電子の物質量と反応式の係数（新しいタブで開きます）比から求められる。
- 電気分解（新しいタブで開きます）は、銅の電解精錬・水酸化ナトリウムの製造・アルミニウムの製造など、工業的に広く利用されている。
詳しく
ファラデーの法則
電気分解で電極に流す電流I〔A〕と時間t〔s〕から、流れた電気量Q〔C〕は で求められる。電子1molがもつ電気量の大きさをファラデー定数といい、F＝9.65×10⁴C/molである。
電気量Qと電子の物質量n(e⁻)〔mol〕の関係は、 で表せる。これをファラデーの法則という。流れた電子の物質量が分かれば、電極で変化する物質の物質量は、電極の反応式の係数比（例えばCu²⁺＋2e⁻→Cuなら、電子2molにつき銅1mol）から求められる。
このように、電気分解で変化する物質の量は、流れた電気量に比例する。この比例関係を利用すれば、電流と時間から生成物の質量や気体の体積を求めたり、逆に必要な生成量から流す時間を求めたりできる。
例：電気量から析出する銅の質量を求める
例題：硫酸銅(Ⅱ)水溶液を白金電極で電気分解し、0.500Aの電流を3860秒間流した。陰極に析出する銅の質量を求めよ。銅の原子量は64とする。
まず電気量を求める。1930C。次に電子の物質量n(e⁻)を求める。0.0200mol。
陰極の反応はCu²⁺＋2e⁻→Cuなので、銅の物質量は電子の物質量の半分になる。0.0200mol÷2＝0.0100mol。質量は0.0100mol×64g/mol＝0.640gになる。
電気分解の工業的な利用
電気分解は、自然には進みにくい反応を電気エネルギーで起こす方法として、いくつかの工業的な製法に利用されている。銅の電解精錬では、電気分解で得た純度の低い銅（粗銅）を陽極、純粋な銅の薄板を陰極にして、硫酸酸性の硫酸銅(Ⅱ)水溶液を電気分解する。陽極では粗銅が溶けてCu²⁺になり、陰極ではCu²⁺が還元（新しいタブで開きます）されて純度の高い銅が付着していく。銅よりイオン（新しいタブで開きます）化傾向が小さい銀や金などの不純物は溶けずに陽極の下に沈み、陽極泥として回収される。
水酸化ナトリウムの製造には、陽イオン交換膜で区切った容器で濃い塩化ナトリウム水溶液を電気分解するイオン交換膜法が使われている。陽極側では塩化物イオンが酸化されて塩素が発生し（2Cl⁻→Cl₂＋2e⁻）、陰極側では水が還元されて水素と水酸化物イオン（新しいタブで開きます）が生じる（2H₂O＋2e⁻→H₂＋2OH⁻）。陽極側のナトリウムイオンは陽イオン交換膜だけを通って陰極側へ移動するため、陰極側に水酸化ナトリウムが濃縮されていく。
アルミニウムは、酸化アルミニウムAl₂O₃（アルミナ）を氷晶石（融剤）とともに高温で融かし、融解した液体を直接電気分解する溶融塩電解で作られる。水溶液ではなく融解した物質を電気分解するのは、アルミニウムは水素よりもイオン化傾向が大きいため、水溶液中では水（水素）が先に還元されてしまい、アルミニウムの単体（新しいタブで開きます）を得られないためである。
確認問題
確認問題（解答用紙）
スマホやタブレットで読み取ると、この問題をその場で解けます。
https://manazoo.com/science/faradays-law-and-industrial-electrolysis/?from=print#quiz
1.00Aの電流を965秒間流したとき、流れた電気量Qは何Cか。
答え：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
正解：965
電気量（新しいタブで開きます）はQ＝It＝1.00×965＝965C。965Cの電気量が流れたとき、流れた電子の物質量は何molか。ファラデー定数F＝9.65×10⁴C/molとする。
答え：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
正解：0.0100
n(e⁻)＝Q/F＝965÷96500＝0.0100mol。硫酸銅(Ⅱ)水溶液を電気分解して、電子が0.0100mol流れたとき、陰極に析出する銅は何gか。銅の原子量は64とする。
答え：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
正解：0.32
Cu²⁺＋2e⁻→Cuより、銅の物質量は電子の半分：0.0100÷2＝0.0050mol。質量は0.0050×64＝0.32g。銅の電解精錬で、陽極の下に陽極泥として沈むのはどのような金属か。
- ◯ 銅よりイオン化傾向が大きい金属
- ◯ すべての金属
- ◯ 陰極に使われている金属
- ◯ 銅よりイオン化傾向が小さい金属（銀・金など）
正解：銅よりイオン化傾向が小さい金属（銀・金など）
銅よりイオン（新しいタブで開きます）化傾向が小さい銀や金などは溶けずに陽極（新しいタブで開きます）の下に沈み、陽極泥として回収される。水酸化ナトリウムのイオン交換膜法で、ナトリウムイオンは陽イオン交換膜をどちら向きに通るか。
- ◯ 両方向に同じだけ
- ◯ 陽極側から陰極側へ
- ◯ 膜を通らない
- ◯ 陰極側から陽極側へ
正解：陽極側から陰極側へ
ナトリウムイオンは陽極側から陽イオン交換膜を通って陰極側へ移動し、陰極側で水酸化ナトリウムが濃縮される。
単元のポイント
- 電気量（新しいタブで開きます） Q＝It〔C〕（電流I〔A〕×時間t〔s〕）
- ファラデー定数 F＝9.65×10⁴C/mol（電子1molがもつ電気量の大きさ）
- 電子の物質量 n(e⁻)＝Q/F〔mol〕
- 銅の電解精錬 粗銅を陽極、純銅を陰極にして電気分解し、純度の高い銅を得る方法
- イオン交換膜法 陽イオン交換膜で仕切った濃い塩化ナトリウム水溶液を電気分解し、水酸化ナトリウムを製造する方法
- アルミニウムの溶融塩電解 酸化アルミニウムを氷晶石とともに融かし、融解した液体を直接電気分解してアルミニウムを得る方法