水の電気分解：容器内では、水素と酸素が発生しますが、内部の圧力はどこまで上がるのでしょうか？

質問

水の電気分解に関する下記の疑問にどなたか答えていただけないでしょうか？

　密閉された容器（２０ℓ前後）に常温の水道水（電気伝導度は２００μＳ前後）がほぼ満杯に入っています。
１０平方センチメートル前後の白金電極に１０ｍＡ前後の電流を流して、電気分解を行なったとします。
容器内では、水素と酸素が発生しますが、内部の圧力はどこまで上がるのでしょうか？
発生する気体（水素と酸素）と水に溶け込む気体とが平衡に達すると思うのですが、その際の圧力はどれくらいでしょうか？
容器は１気圧の大気圧に置かれています。

以上、ご回答の程、よろしくお願いします。

回答No.1

noname#57316 · ベストアンサー

予想される事象を、時系列的に予想してみます。

先ず、生成した酸素、水素が容器内の溶存酸素、水素濃度を高め、溶解度以上になった時、
気液相の分離が起こる。
液相の溶存酸素、溶存水素はそれ以上濃度が増すことはなく、生成した酸素水素は気相に溜まり、
内圧は上昇する。
このとき同時に、溶存酸素の一部が原子状に解離し、電極の白金表面に付着する。この白金は
溶存酸素と溶存水素の再結合反応の触媒となって、水分子を生成させる。
この反応は、気相での反応のように激しくは起こらないが、発熱反応であるため、徐々に
液温を上昇させる。
この状態が長時間続くと、水が蒸気となって気相の圧力を上昇させる。液温上昇もあり、
内圧上昇は早まる。
一方、内圧上昇と、温度上昇の効果が溶存酸素、溶存水素の溶解度に微妙に影響し、
温度上昇の効果が勝った場合、溶解度は減り、再結合反応は減少し、液温の上昇は止まる
であろうが、圧力上昇の効果が勝った場合は、溶解度は上昇し、温度上昇が続くであろう。

いずれにせよ、容器の内圧は留まる所を知らず、容器破壊に至るまで上昇を続けるで
ありましょう。

お礼

ご丁寧なご回答、ありがとうございます。

「このとき同時に、溶存酸素の一部が原子状に解離し、電極の白金表面に付着する。この白金は溶存酸素と溶存水素の再結合反応の触媒となって、水分子を生成させる。」
白金電極が触媒として働き、酸素+水素→水の反応が起きるのですね！

「この反応は、気相での反応のように激しくは起こらないが、発熱反応であるため、徐々に液温を上昇させる。」
容器が断熱されていない場合は、この温度上昇は殆ど無いと考えてよいですね？

「いずれにせよ、容器の内圧は留まる所を知らず、容器破壊に至るまで上昇を続けるでありましょう。」
最終的には、容器の破裂と言う事ですね！

ついでの質問で恐縮ですが・・・
「この反応は、気相での反応のように激しくは起こらないが、・・・」
気相での反応とは、中学の理科実験でやった『水素に火を付ると爆発する』ことですね？
酸素と水素がほぼ２対１の容器に白金板を入れておくだけでも、表面ではその触媒反応によって、水が生成されるのでしょうか？
その場合、爆発はしないですよね？

よろしくお願いします。

回答No.3

noname#57316

お断りしておきますが、その現象を目の当たりにしたような書き方をしておりますが
科学的見地から予想できることを述べているに過ぎませんので、その積りで、
御覧頂きたいと存じます。しかし、理屈に合わぬことを述べている訳ではありません。

＞容器が断熱されていない場合は、この温度上昇は殆ど無いと考えてよいですね？
断熱されていない場合、発熱と放熱のバランスが取れるところで、温度は一定になる
と思われます。

＞気相での反応とは、中学の理科実験でやった『水素に火を付ると爆発する』ことですね？
＞酸素と水素がほぼ２対１の容器に白金板を入れておくだけでも、表面ではその触媒反応
＞によって、水が生成されるのでしょうか？
＞その場合、爆発はしないですよね？
酸素と水素の結合反応が起こるためには、しきい値を超えたエネルギー、またはスパークを
飛ばすといったショックを与える必要があります。
白金版は、反応の活性化エネルギーを低める触媒なので、始めは穏やかな酸化反応を
起こすのではないかと思います。しかし、酸素水素の反応が続くうち（どの位の時間が
経ってからかは全く分かりませんが）、温度が高くなって連鎖反応の速度が速くなり、
突然爆発するということになるかもしれません。

今述べていることも確認したことに基づいているのではなく、理屈に合ってはいると思い
ますが、推定でしかありませんので、その積りで読んで頂きたいと存じます。

回答No.2

hand07

容器がどこまで耐えられるか…ですね。
No.1さんが詳しく書かれたのですが
もし壊れない容器だと仮定すれば、
圧力上昇→酸素・水素が液体や固体に→圧力一定
になるかもしれませんね。

お礼

ご回答、ありがとうございました。

「壊れない容器だと仮定すれば、圧力上昇→酸素・水素が液体や固体に→圧力一定になるかもしれませんね。」
その前に、容器が間違いなく破裂しますね。