中三化学 電気分解

質問

こんにちは。　中学三年生です。　
化学の問題で内容がよく分からないものがありました。

　問題
電気分解装置に水酸化ナトリウムを溶かした水を入れてしばらく電気分解したあと、電源装置をはずして光電池用モーターをつなぐと、　プロペラが回った。　このときの化学反応を矢印に続けて表せ。
ただし、○○や●●は電極から発生した分子のモデルを表す。
○○　○○＋●●→　　　　　　　　　　　　　　　答え○●○　　○●○
　　解説によると、○○と●●は、水素と酸素だそうです。

　疑問　
１.　なぜプロペラが回ったのですか？
２.　どのようにして水素と酸素を合体させたのでしょうか？

イオンや化学電池との関係があるなら、その関係も教えてください。

回答No.1

htms42

これは問題集に載っている問題でしょうか、それとも授業でやった実験でしょうか。

授業でやったものであればプロペラが回ったというのがどういう状況でのものかが分かります。
回りますが「ちょろっと」です。
電池をつないだ時のように勢いよく回り続けるというものではありません。
でもとにかく回ります。
それが不思議だからこそ、授業でやられるのです。
どういう装置でもいいわけではありません。
水酸化ナトリウムの電気分解をやると水素と酸素が発生します。
電極表面からぼこぼこと泡が出てきます。
電極表面にまず原子上の水素、酸素ができてそれが合体して分子状の水素酸素に変わります。
その分子状の水素、酸素がある程度の量集まって気体として出てきます。
電解装置の電源を切ると電解はストップします。
でも電極表面には原子状、または分子状の水素、酸素が少し付着して残っています。
これが電気分解での反応の逆の道筋を通って変化します。
電気分解の式は普通
Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２
のように書きます。でもこれは電極表面で起こっている変化を表しているのではありません。
正極では水酸化ナトリウムから提供された水酸化物イオンが変化します。その時に酸素が発生します。　
４ＯＨ^-→２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２＋４ｅ^-
陰極で水が分解して水素を出す変化が起こります。
４Ｈ２Ｏ＋４ｅ^-→４ＯＨ^-＋２Ｈ２
この電子の運搬役は電解装置の電源です。
ＯＨ^-は正極付近で減少しますが負極付近では増加します。電解槽全体での量は変わりません。正味減少しているのは水の量です。それで２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２と書いています。

この問題での場合に戻ります。
電極表面に残っている酸素と水素は直接反応して水になるのではありません。上で見た電気分解の反応の逆反応が起こっているのです。ただこの反応は付着している水素と酸素が無くなれが終わりです。泡になって出て行ってしまった水素、酸素はもう反応させることはできません。
電極の種類によって起こりやすさが異なります。上等な電解装置では白金を使うことがあります。でも白金電極では上手く見えないでしょう。表面のぼこぼこした炭素電極の方が吸着している酸素、水素の量が多いでしょうからプロペラの回転は長くなるでしょう。

電気分解の電源を手回し発電機でやると割合と手軽に見ることができます。
水酸化ナトリウム水溶液の入ってビーカーに炭素電極を入れ手回し発電機で電気分解を行います。しばらくやった後回すのをやめます。そこで手を離すと発電機のハンドルが勝手に回り始めます。数回まわって止まるというものですが、不思議な現象ですので生徒はかなり興味を持つようです。

水の電気分解の逆反応を電気的に行うことができるという事をこの現象から知ることができます。
電流が取り出せるのですから電池になっています。
水素が酸素と反応して水になるというのは水素が燃える時の反応と同じです。
「燃料電池」という名前で呼ばれているものの原理になっています。
燃える場合は熱になってエネルギーが出てきます。
この場合は電気のエネルギーになって出てきています。
燃料電池が最近取り上げられることが多くなっているということから
問題として取り上げられたのでしょうが、内容は中学生には少し難しいと思います。

私は、授業では見せていますが試験には出していません。問題にもしていません。
（私は高校で化学を教えていました。）

お礼

早速のご回答、ありがとうございました。
問題集の問題を質問しました。
ありがとうございました。