電池と電気分解５｜電気分解の基本と，電池と電気分解の違い

前回までの記事では，「ボルタ電池」や「ダニエル電池」といった初期の電池や，現代でも車のバッテリーなどに利用される「鉛蓄電池」について説明してきました．

電池の次には「電気分解」を習うことになるのですが，最初は電池と電気分解の違いがなかなか分かりにくく，混乱してしまいがちです．

前回までで説明してきたように，「(化学)電池」とは「化学変化を起こして，物質から電気エネルギーを取り出す装置のこと」をいうのでした．

一方の「電気分解」はこれと真逆で，「電気エネルギーを使って起こる分解(化学変化)のこと」を指します．

この記事で「電気分解」を理解して，電池と電気分解をしっかり区別して考えられるようになってください．

そもそも電気分解とは

化学反応には熱分解というものがありました．

例えば，炭酸水素ナトリウム$\ce{NaHCO3}$を加熱すると，次の反応が起こります．

   

これは加熱したことによるエネルギーで$\ce{2NaHCO3}$が$\ce{Na2CO3}$, $\ce{H2O}$, $\ce{CO2}$に分解されています．

これは，熱エネルギーを与えることによって起こる分解なので，熱分解といいます．

一方，熱エネルギーではなく，ビリビリと電気エネルギーを与えることによって起こる分解を「電気分解」といいます．

なお，「電気分解」を略して「電解」ということもありますが，どちらも同じ意味です．

電気分解の反応では，塩化銅(II)水溶液$\ce{CuCl2}aq$の電気分解がよく取り上げられます．

これは2本の炭素棒Cを塩化銅(II)水溶液$\ce{CuCl2}aq$にボチャンと浸け，電気を流すことで起こります．

   

の反応が起こり，右の炭素棒で

   

の反応が起こります．

この半反応式から分かるように，塩化物イオン$\ce{Cl-}$は酸化されて塩素$\ce{Cl2}$に，銅イオン$\ce{Cu^2+}$は還元されて銅Cuになっています．

アルカリ金属(ナトリウムNaやカリウムKなど)を生成するときにも電気分解を用います．

アルカリ金属の塩化物(NaClやKClなど)を加熱して融解させ，電気分解を用いることでアルカリ金属を生成します．

このアルカリ金属を得る電気分解を融解塩電解といいます．

電気分解の仕組み

電気分解は溶液に2本の炭素棒をボチャンと浸け，炭素棒を導線で繋いで電流を流すことで起こります．

なお，「炭素棒」とは鉛筆の芯ような太い「黒鉛」の塊です．

炭素棒ではない電極を用いることもありますが，いきなり書いてしまうとややこしくなるので炭素棒ではない電極については次の記事で書くこととし，この記事では基本として電極が炭素棒Cのときを扱います．

さて，「電池」が生み出す電流とは「電子$\ce{e-}$の流れ」のことでした．

そこで，電池の電極のうち，電子$\ce{e-}$を放出する方の電極を負極，電子$\ce{e-}$を受け取る方の電極を正極というのでした．

そのため，電気分解の電極のうち，「正極と繋がった方の電極」は電子を放出し，「負極と繋がった方の電極」は電子を受け取ります．この「電池の正極とつながっている方の電極」を「陽極」，「電池の負極とつながっている方の電極」を「陰極」といいます．

陽極は電子を放出するので酸化反応が，陰極は電子を受け取るので還元反応が起こります．

確かに上で挙げた塩化銅(II)水溶液$\ce{CuCl2}aq$の電気分解も陽極で酸化反応，陰極で還元反応が起こっています．

半反応式$\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e-}$と$\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}$から，

   

となって，硫酸銅(II)水溶液$\ce{CuCl2}aq$を銅Cuと塩素Clに分解しています．

電池と電気分解の３つの違い

さて，電気分解の説明が終わったので，本題に移ります．電池と電気分解には，大まかに次の３つの違いがあります．

1. 「正極/負極」と「陽極/陰極」の違い
2. 「自動的反応」と「受動的反応」の違い
3. 「酸化」と「還元」の違い

1と3はリンクしているのですが，重要なので分けて書きました．

「正極と陽極の違い」と「負極と陰極の違い」

正極と陽極の違い，負極と陰極の違いについて説明します．正も陽も「プラス」，負も陰も「マイナス」なのでややこしいのですが，これらは明確な違いがあります．

正極と負極は「電池」で，陽極と陰極は「電気分解」です．

そもそも電池はイオン化傾向の差を利用して電気エネルギーを取り出す装置であることは，これまで書いてきた通りです．

イオン化傾向が大きい金属は陽イオンになりやすいのでした．陽イオンになるということは，マイナスの電荷を持つ電子を放出するということですから，負極になります．

そして，先ほど書いたように，陰極は「電気分解において電池の負極と繋がった方の電極」のことをいうのでした．したがって，

となります．

イオン化傾向の大きい方が電子を放出する負極ですから，逆にイオン化傾向の小さい方は電子を受け取る正極になります．

そして，陽極は「電気分解において電池の正極と繋がった方の電極」のことをいうのでしたから，

となります．

「自動的反応」と「受動的反応」の違い

再三書いていることですが，電池はボチャンと溶液に浸けるものは異なる金属で，それらの金属のイオン化傾向の差を利用して酸化還元反応を引き起こして，電子を取り出す装置でした．

つまり，電池は組み立てれば自然と電流が流れるのです．ですから，電池は「自動的反応」ということができます．

一方，電気分解は電極が炭素棒ですから，イオン化傾向の差なるものはありません．ですから，それ単体で反応は起こらないのです．

電気分解は電池につなぐことで，反応が引き起こされるのです．ですから，電気分解は「受動的反応」ということができます．

電池が反応を起こす→電気分解の反応が引き起こされる

という順なのです．

言葉の話ですが，「陽極/陰極」の定義が「正極/負極と繋がっている方」なのですから，先に正極/負極が定義されていることも分かりますね．

「酸化」と「還元」の違い

「正極は還元反応，陽極は酸化反応」です．正極と陽極で酸化還元が逆になっています．

「どっちがどっちか覚えられねえよ！」という人は酸化還元反応の基本に立ち戻って考えれば簡単に分かります．

念のため復習すると，

• 還元反応：電子$\ce{e-}$を受け取る
• 酸化反応：電子$\ce{e-}$を放出する
• 電子$\ce{e-}$は負極から放出され，正極で受け取る

でした．「酸化」=「電気的にプラスになる」，「還元」=「電気的にマイナスになる」だったこととリンクさせれば，酸化と還元は電子$\ce{e-}$の出入りで説明できますね．

この２つのことから，「正極は還元反応，陽極は酸化反応」と分かります．また，同様に「負極は酸化反応，陰極は還元反応」ですね．