水に少量の水酸化ナトリウムをとかした水溶液を電気分解装置に入れて電流を流すと、水が電気分解されて、陰極から水素、陽極から酸素が発生します。このとき、発生する水素と酸素の体積の比は です。
しばらく電流を流したところ、陰極側に集まった水素の体積は でした。このとき陽極側に集まった酸素の体積は何 ですか。ただし、発生した気体は水にとけず、すべて集められたものとします。
電気分解で生じる物質の量
電気分解で生じる物質の量が電流を流した時間に比例することや、塩化銅の銅と塩素の質量の比、水の電気分解の水素と酸素の体積の比 を使い、生じる物質の質量・体積や、水溶液の質量の減少から付着した銅の質量を求められる
前提
- イオンと電離・電解質 （中学理科 化学分野の用語と知識）
- 分解と化合（化学変化の種類） （中学理科 化学分野の用語と知識）
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- イオンと電離・電解質 （中学理科 化学分野の用語と知識）
- 実験器具の使い方と安全 （中学理科 化学分野の用語と知識）
- 気体の発生方法・性質・集め方 （中学理科 化学分野の用語と知識）
- 分解と化合（化学変化の種類） （中学理科 化学分野の用語と知識）
説明
電気分解で、電極にできる物質（銅・塩素・水素・酸素）の質量や体積を、計算で求められるようになります。使うのは、「同じ大きさの電流なら、できる物質の量は電流を流した時間に比例する」こと、塩化銅の電気分解でできる銅と塩素の質量の比、水の電気分解でできる水素と酸素の体積の比 の 3 つです。電流を流す時間を変えた実験や、水溶液の質量がどれだけ減ったかから銅の質量を求める問題で使います。
なぜそうしてよいのか
電気分解では、水溶液中のイオンが電極で電子をやりとりして物質に変わります。電流は電子の流れなので、同じ大きさの電流を 2 倍の時間流せば、電極でやりとりされる電子の数も 2 倍になり、できる物質の量も 2 倍になります。だから、電流の大きさが同じなら、できる物質の質量や体積は電流を流した時間に比例します。
塩化銅 の水溶液を電気分解すると、陰極に銅 が付着し、陽極から塩素 が発生します（）。塩化銅は銅原子 1 個と塩素原子 2 個が決まった割合で結びついたものなので、分解してできる銅と塩素の質量の比はいつも同じ値になります（問題文で、例えば「銅：塩素 」のように与えられます）。また、電気分解で減った塩化銅の分だけ水溶液の質量が減ります。銅は電極に付着して水溶液から取り出され、塩素は気体として出ていくので、発生した塩素がすべて水溶液から出ていったとすると、
となります。
水の電気分解（電流を通しやすくするために水酸化ナトリウムなどを少し溶かした水を使う）では、陰極から水素、陽極から酸素が発生します（）。電気分解装置で集まった気体の体積を比べると、陰極側の水素は陽極側の酸素のちょうど 2 倍になっていることが実験で確かめられます。電流を流す時間を変えても、この 水素：酸素 の体積の比は変わりません。
手順
何の電気分解かを確かめ、陰極・陽極にできる物質を書く（塩化銅: 陰極に銅、陽極に塩素。水: 陰極に水素、陽極に酸素）
電流を流した時間が変わるときは、できる物質の量が時間に比例することを使う:
2 つの物質の量の関係は比を使う。塩化銅は問題文の質量の比（銅：塩素 など）、水は体積の比 水素：酸素
水溶液の質量の減少が与えられたら、それを（銅）＋（塩素）として、比で分ける:
求めた値が問題の問い方（g、cm³ など）と合っているか確かめる
例題
塩化銅水溶液に 2 本の炭素棒を電極として入れ、一定の電流を流して電気分解したところ、陰極に銅が付着し、陽極から塩素が発生した。電流を止めたあと、水溶液の質量は電流を流す前より 1.9 g 減っていた。塩化銅が分解してできる銅と塩素の質量の比は 銅：塩素 であり、発生した塩素はすべて水溶液から空気中へ出ていったものとする。陰極に付着した銅は何 g ですか。
例題の解答
手順 1: 塩化銅の電気分解なので、陰極に銅、陽極に塩素ができる。
手順 2: この問題では電流を流す時間は変えていないので、時間の比例は使わない。
手順 3: 銅と塩素の質量の比は である。
手順 4: 銅は陰極に付着し、塩素はすべて空気中へ出ていったので、水溶液の質量の減少 1.9 g は、（銅の質量）＋（塩素の質量）にあたる。これを に分けると、銅の質量は
（このとき塩素は g で、 となり比と合っている。）
手順 5: 問われているのは銅の質量 [g] なので、答えは 0.9。
答え:
よくある誤り
水溶液の質量の減少をそのまま銅の質量としてしまう誤り。例題で銅を 1.9 g とするのは誤りで、減少量には出ていった塩素の分も含まれる。正しくは g。
比で分けるとき、全体を片方の数だけで割ってしまう誤り。銅：塩素 のとき銅を とするのは誤りで、全体にあたるのは なので、正しくは 。
水の電気分解の体積の比を逆にしてしまう誤り。酸素が 6 cm³ のとき水素を cm³ とするのは誤りで、陰極の水素のほうが多く、水素：酸素 なので水素は cm³。
電流を流す時間を変えたとき、増えた時間の分だけで計算してしまう誤り。10 分で銅が 0.3 g 付着したとき、同じ電流で 30 分流すと「10 分より 20 分長いので 2 倍」と考えて g とするのは誤り。正しくは、時間が 倍なので g になる。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
塩化銅水溶液に炭素棒の電極を 2 本ひたし、電源装置につないで一定の大きさの電流を流し、電気分解を行った。電流を流した時間と、陰極に付着した銅の質量を調べると、次のようになった。
電流を流した時間〔分〕 5 10 15 付着した銅の質量〔g〕 0.06 0.12 0.18 同じ大きさの電流を 分間流し続けると、陰極に付着する銅の質量は何 g になりますか。
ただし、水溶液中の塩化銅は電流を流しているあいだになくならないものとし、陰極で生じた銅はすべて陰極に付着するものとする。
水 に塩化銅 をとかした塩化銅水溶液がある。この水溶液に炭素棒の電極を 2 本ひたして電源装置につなぎ、電流を流して電気分解を行った。しばらくして電流を止め、陰極を取り出して調べると、陰極の表面に銅が 付着していた。
塩化銅は銅と塩素が質量の比 で結びついた物質であり、この電気分解では塩化銅が銅と塩素に分解する変化だけが起こったものとする。また、付着した銅はすべて陰極に残っていたものとする。
このとき、電流を止めた後の水溶液中に、分解されずに残っている塩化銅は何 g ですか。
水に少量の水酸化ナトリウムをとかし、電気分解装置に入れて一定の大きさの電流を流し、水の電気分解を行った。陰極からは水素が、陽極からは酸素が発生し、それぞれ別の管に集めた。電流を流し始めてから、陰極で発生した水素の体積を 2 分ごとに調べると、次のようになった。
時間〔分〕 2 4 6 8 水素の体積〔cm³〕 4.8 9.6 14.4 19.2 この電気分解では、発生する水素と酸素の体積の比はつねに であった。
同じ条件で電流を 10 分間流したあと、陰極に集まった水素のうち と、陽極に集まった酸素のすべてを、1 本の丈夫な筒に入れて点火した。反応が終わったあと、筒の中に残った気体の体積は何 cm³ ですか。
ただし、水素と酸素は体積の比 で反応して水になり、できた水は液体になってその体積は無視できるものとする。また、気体の体積はすべて同じ温度・圧力ではかるものとし、発生した気体は水溶液にとけないものとする。
ビーカーに塩化銅水溶液を入れ、炭素棒の電極を 2 本ひたして電源装置につなぎ、電流を流して電気分解を行った。すると、陰極の表面には赤色の銅が付着し、陽極からは塩素が発生した。
電流を流す前と、電流を止めて電極をとり出したあとで、ビーカーの中の水溶液の質量をはかったところ、水溶液の質量は 減少していた。このとき、陰極に付着した銅は何 g ですか。
ただし、塩化銅にふくまれる銅と塩素の質量の比は とする。また、陰極に付着した銅はすべて電極とともにとり出され、発生した塩素は水溶液にとけずにすべて空気中に出ていったものとし、水の蒸発は考えないものとする。
塩化銅水溶液に炭素棒の電極を 2 本ひたして電源装置につなぎ、一定の大きさの電流を流して電気分解を行う。陰極には銅が付着し、陽極からは塩素が発生する。
実験 1 十分な量の塩化銅水溶液に の電流を 分間流したところ、陰極に銅が 付着した。
実験 2 実験 1 と同じ濃度の塩化銅水溶液を新しく用意し、 の電流を 分間流した。電流を止めて電極をとり出し、電流を流す前とあとで水溶液の質量をくらべると、 減少していた。このとき、陽極で発生した塩素の一部は水溶液にとけ、残りは空気中に出ていった。
実験 2 で、陽極で発生した塩素のうち、水溶液にとけた塩素は何 g ですか。
ただし、付着する銅の質量は電流の大きさと電流を流した時間のそれぞれに比例するものとし、塩化銅にふくまれる銅と塩素の質量の比は とする。また、陰極に付着した銅はすべて電極とともにとり出され、水は分解も蒸発もしないものとする。
塩化銅水溶液に 2 本の炭素棒を電極として入れ、電源装置と電流計をつないで電気分解を行った。電流の大きさと電流を流した時間を変えて、陰極に付着した銅の質量を調べたところ、次の結果が得られた。
電流〔〕 電流を流した時間〔分〕 付着した銅の質量〔〕 次に、塩化銅 を水にとかした水溶液を用意し、同じ装置で の電流を流し続けて電気分解を行った。
塩化銅は銅と塩素が質量の比 で結びついた物質である。電気分解では塩化銅だけが銅と塩素に分解され、生じた銅はすべて陰極に付着し、生じた塩素はすべて気体として水溶液の外へ出ていくものとする。また、電流の大きさは一定に保たれ、付着する銅の質量は上の実験の結果と同じ規則にしたがうものとする。
水溶液中に残っている塩化銅の質量が になるのは、電流を流しはじめてから何分後ですか。
電気分解について、次の実験を行った。
実験 1 十分な量の塩化銅水溶液に炭素棒の電極を 2 本ひたし、電源装置につないで の電流を 分間流した。陰極には銅が付着し、その質量は であった。陽極からは塩素が発生した。
実験 2 実験 1 と同じ濃度の十分な量の塩化銅水溶液に炭素棒の電極をひたした装置 A と、少量の水酸化ナトリウムをとかした水に白金の電極をひたした水の電気分解装置 B を用意した。電源装置の 極、装置 A、装置 B、電源装置の 極が 1 本の道すじになるように導線で直列につなぎ、 の一定の電流を流した。しばらくして電流を止めると、装置 B の陽極に集まった酸素の体積は であった。
ただし、次のことがらが成り立つものとする。
- 装置 A では、銅イオン 1 個が電子を 2 個受けとって銅原子 1 個になる。
- 装置 B では、電子が 4 個移動するごとに、陰極で水素分子が 2 個、陽極で酸素分子が 1 個発生する。酸素分子 1 個は酸素原子 2 個からできている。
- 銅原子 1 個と酸素原子 1 個の質量の比は である。
- 陰極に付着する銅の質量は、電流の大きさと電流を流した時間のそれぞれに比例する。
- 酸素 の質量は とし、発生した酸素は水にとけず、すべて集められたものとする。実験 2 で電流を流した時間は何分ですか。