食塩水の電気分解における電極での反応式(イオン式) 陽極で塩素が発生し、陰極で水素が発生する理由


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食塩水の電気分解における電極での反応式(イオン式) 陽極で塩素が発生し、陰極で水素が発生する理由

 

さまざまな反応の電気分解について理解することは重要であり、中でも食塩水(NaCl溶液)の電気分解は頻出です。

 

この食塩水の電気分解の仕組みについて理解していますか。

 

ここでは、「食塩水の電気分解の各電極での反応式(水素や塩素発生)」「陰極では水酸化ナトリウムができアルカリ性となるのか「」陽極では塩化水素や次亜塩素酸が生成しているのか」ということについて解説していきます。

 

・食塩水の電気分解の電極と反応式(イオン式)

 

・食塩水の電気分解のとイオン交換膜法(水酸化ナトリウムの工業的製法)

 

というテーマで解説していきます。

 

 

食塩水の電気分解の電極と反応式(イオン式)

 

電解装置に不活性な電極(Ptなど)を用い、比較的濃い濃度の食塩水(NaCl溶液)の対して外部から一定以上の電圧をかけると電気分解が起こります。

 

食塩水の電気分解によって、起こる陰極と陽極の反応式(イオン式)は以下の通りです。

 

陽極:2Cl- → cl2 + 2e-
陰極:2H2O + 2e- → H2 + 2OH-  という反応が起こります。なお、陰極では、Na+イオンはイオン化傾向が非常に大きいため反応せず、水が代わりに反応することを覚えておきましょう

 

 

つまり、陽極からは塩素が発生、陰極からは水素が発生するのです。

 

この反応をイメージ図にすると、以下のようになります。

 

 

なお、陽極付近では塩素イオンが寄ってきており、塩酸(塩化水素)と次亜塩素酸(HClO)の濃度が高い状態となっています。

 

一方で、陰極付近にはOH-が生成されており、かつ元の溶液中にNa+が含まれているために、水酸化ナトリウム溶液に近い状態となっているのです。つまり、アルカリ性となっています。

 

よって、アルカリ性の検出薬であるフェノールフタレインを滴下させると、赤色に変色させることができます。

 

また、身近にNaClを含む液体である海水などでも、電位分解すれば上述と同様の反応が起こります。

 

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食塩水の電気分解のとイオン交換膜法(水酸化ナトリウムの工業的製法)

 

食塩水の電気分解において、間に隔膜としてイオン交換膜(陽イオン交換膜)をとりつけることで、水酸化ナトリウム(NaOH)を製造することができます。

 

上述にて、陰極ではNa+(ナトリウムイオン)とOH-(水酸化物イオン)が反応することによって水酸化ナトリウムが生成すると記載しました。このとき、OH-イオンが陰極にて生成されると、電極付近の濃度が高まるため、濃度が薄い方(陽極)へ移動していきます。

 

すると、水酸化ナトリウムの濃度が下がってしまうのです。そこで、効率よくナトリウムを生成させるために、OH-の移動を制限しようと陽イオン交換膜で隔てるのです。結果として、効率よくNaOHを抽出することができます。

 

これが食塩水の電気分解における水酸化ナトリウムの工業的な製法であるといえます。

 

 

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