電気分解について

電気分解
二種類の金属板を電源装置とつなぎ、その金属板を電解質水溶液に浸したあと、電気をかける(電子を移動させる)ことで、強制的に酸化還元反応を起こすこと。
このとき電源装置の+極につないだ方は陽極、-極につないだ方は陰極と呼ばれる。
電池との違いは以下の通り。
化学電池:化学反応→電子のやりとり→電気
電気分解:電気→電子のやりとり→化学反応


陽極での反応
電子が外れる酸化反応が起こる。
電子の外れ方には以下の3パターンある。
①電極が銅である場合は自身が反応して電子が外れる。
②電解質水溶液に塩化物イオンが含まれている場合は、塩化物イオンが塩素ガスになることで電子が外れる。
③それ以外の場合、水溶液がアルカリ性の場合は水酸化物イオン、中性・酸性の場合は分子が反応し電子が外れる。

陰極での反応
電子を受け取る還元反応が起こる。
電子の受け取り方には以下の2パターンある。
①水溶液に銅イオンや銀イオンが含まれている場合、これらのイオンが電子を受け取り、銅や銀に戻る。
②それ以外の場合、水溶液が酸性の場合は水素イオンが電子を受け取り水素ガスに戻る。水溶液が中性・アルカリ性の場合はが電子を受け取り水素ガスと水酸化物イオンに湧かれる。

ファラデーの法則
電気分解において、電極で反応する物質の量は、流した電気の量に比例する。
また、電気量が一定のとき、電極で反応する物質の量は、イオンの価数に反比例する。1価ならそのまま、2価なら半分といった具合。
ちなみに、元素だけではなく電子にも物質量があり、電子96500個分で1molに換算される。この96500C/molという値をファラデー定数という。
電気量(クーロン)はC=A×sで算出されるので、電流の大きさと時間をかけた値が96500である場合、その時の電子の物質量はぴったり1molであるといえる。
これをまとめると・・・

流れた電子の物質量(mol)=(電流の大きさ×流した秒数)÷96500

という式ができる。
例えば、2アンペアの電流を96500秒間流し続けた場合の電子の数は2molとなる。
この時、電気分解によって析出する銅の物質量は・・・
Cu2+ + 2e- → Cu
より、電子2個で銅が1個出来るため、ファラデーの法則により、電子2molならば、析出する銅は1molということになる。

リメンバー・ミー

 「面白い度☆☆☆☆ 好き度☆☆☆☆ 集大成感☆☆☆☆☆」

 君に会えて本当に良かった。君が死ぬのを待っているよ。

 今までも、最新テクノロジーのCGを駆使しながらも、先達の人々の偉業を謙虚にたたえる姿勢を崩さなかったピクサー映画だけど、とうとうその集大成がやってきた感じ。
 まさかのメキシカンお盆ホリデー映画。というか、ここまでいくとピクサーってもはや過去作のレジェンドの蓄積が多すぎて、その引用で映画一本分の脚本が作れちゃうっていうのをまざまざと見せつけられたというか・・・そう言う意味で、新しさに関しては今ひとつだったけど、もう、マーベルもそうだけど、原理的にこの路線でこれ以上のモノって作れないというか・・・もはやひとつのスタイルを確立しちゃったんだろうな、と。

 主人公の動機は『レミーのおいしいレストラン』で、だから音楽版レミーかな、と思ってたんだけど、そんなわかりやすい2番煎じはやらないよっていう。今までの作品の美味しいところバンバン引っ張ってきたよ、みたいな。
 悪役の造形は『カールじいさん』+『シュガーラッシュ』、悪役の転落のさまは『モンスターズ・インク』、奇抜な世界観(社会観とあえて言いたい)は、それこそ初代『トイ・ストーリー』や『インサイドヘッド』でお馴染み。
 毎回、この荒唐無稽な世界を作りながらも、ちゃんとその内部で完結できる社会的なルールを成立させる、メタに逃げないっていう姿勢は素直にすごいなって思う。

 そして相棒のイヌ(※いろいろヤバそうな(^_^;))の名前がダンテなのは、ああ、神曲をやってるのか、と。あれって、あの世巡りだからね。
 ただ、昨年の『カーズ3』も大傑作だったけど、どんどん大人向けというか、今回が最もギャグが少なくてね。・・・子ども大丈夫か?(^_^;)ダンテとかフリーダ・カーロとか知ってるちびっ子とかいないだろ。
 ちなみに同時上映の『アナ雪』短編(※ただ歌うだけ。そしてわりと長い。)も、テーマにおいて“家族の歴史と、その欠落”を扱っていて、意図的にリンクさせたのかなあ。あと、ついにあの国がノルウェーであることが特定されました。

 まあ、とにもかくにも家族がテーマなんだろうけど、それをもっと拡張した、家系というか、歴史とか古典のリスペクトがすごい映画でした。
 自分なんておじいちゃん・おばあちゃんの親の時点からもう知識が曖昧で(政治家やってたらしいくらい)全然遡れないよ。
 逆に記憶から消したい一族の事実とかもありそうだしな。あんな完全犯罪が白日の下に明らかになっちゃったデラクルスの子孫とかどうすんだよ、みたいな(^_^;)

 許さなくてもいい、でも忘れないで欲しい。

中和反応について

中和反応
酸の水素イオンと塩基の水酸化物イオンが反応してが出来ること。
この時、塩基の陽イオンと酸の陰イオンが反応してできる水以外の副産物をという。
ちなみに塩を水に溶かしたときの性質(酸性かアルカリ性か)は塩自身の化学式ではなく、その塩がどういった酸と塩基によってできたかによって決まる。
①強酸×強塩基=塩化ナトリウムなら中性の塩、化学式が酸性っぽいなら酸性の塩
②強酸×弱塩基=弱酸性の塩(水に溶かすと酸性)
③弱酸×強塩基=強塩基の塩(水に溶かすとアルカリ性)
④弱酸×弱塩基=ほとんどが不溶性の塩。水溶性のものは中性


中和反応の計算
ある濃度(mol)で、ある容積(mL)の酸もしくは塩基と、過不足なく反応する塩基もしくは酸の濃度や容積はいくつでしょう?みたいな問題の計算方法。

例題:0.20mol/Lの硫酸(H2SO4)30mLと過不足なく中和する、0.10mol/Lの水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液は何mLでしょう?※容積の方が分からないパターン

①水酸化ナトリウムの容積をχmLとおく。

②水酸化ナトリウムの物質量を求める。
0.10mol/Lはリットル基準なので、ミリリットルに単位を合わせると0.0001χmol

③水酸化ナトリウム中の水酸化物イオンの物質量を求める。
水酸化ナトリウムは一価の塩基なので、水酸化物イオンも0.0001χmol

④硫酸の物質量を求める。
こちらは容積が決まっているので、0.20mol/L×0.03L=0.006molで確定。

⑤硫酸中の水素イオンの物質量を求める。
硫酸は二価の酸なので、0.006mol×2=0.012mol

⑥過不足なく反応すると言うことは、水素イオンの物質量と水酸化物イオンの物質量が等しいと言うことなので、0.0001χ=0.012molという方程式を解く。両辺を10000倍すればいいのでχ=120となる。

よって、0.20mol/Lの硫酸(H2SO4)30mLと過不足なく中和する場合、0.10mol/Lの水酸化ナトリウムは120mL必要。

pH(水素イオン指数)
1909年にセレン・セーレンセンが考案。ポテンシャル・オブ・ハイドロジェンの略。
0~14の全15段階あるが、水素イオンの濃度は非常に広い範囲で変化するため、常用対数でpHは算出している(水素イオン濃度の対数の逆数で出しているため、数値が低い方が水素イオンの濃度が高く、酸性の度合いが高いことになる)。
ちなみに、pH7が中性で(※一気圧25℃の時)、この時、水素イオン濃度も水酸化物イオン濃度も共に10-7(mol/L)でつり合っているということになる。
これを基準にすると、水素イオン濃度が10倍になると、水酸化物イオン濃度は逆に0.1倍になるため、以下のような式が作れる。

水素イオン濃度の指数+水酸化物イオン濃度の指数=-14

中和滴定
ある水溶液の濃度を調べるために、その水溶液と反対の性質があり、かつ、濃度が分かっている水溶液をビュレットなどで正確に滴下すること。
このとき、縦軸にpH、横軸に滴下量(mL)をとったグラフを中和滴定曲線と言い、この曲線の形から、滴下量がある点(中和点)に達すると急激にpHが変化することが分かる。
つまり滴下するときは、少しずつ慎重に行わないと中和したタイミングを見逃す危険性があるということである。
さらに中和を水溶液の色の変化で示す指示薬のチョイスも重要である。指示薬の色が変化するpHのエリア(変色域)は指示薬の種類によって異なるため、塩の水溶液が弱酸性である場合は、変色域がアルカリ性に近いフェノールフタレイン(対応pH8.0~9.8)ではなく、変色域が酸性に近いメチルオレンジ(対応pH3.1~4.4)を用いる必要がある。

酸・塩基について

酸・塩基の定義
レモンやビネガーなどすっぱいものが酸。
石けん水や石灰など苦くヌルヌルなものがアルカリ。
なぜか高校からアルカリ性を塩基(ベース)と呼び始めるが、これは酸とアルカリの定義が変わったことによる。

①アレニウスの定義(1887年)
中学校で習う最も古い定義。
酸:水溶液中で水素イオンが生じる物質(pH7未満)
アルカリ:水溶液中で水酸化物イオンが生じる物質(pH7超過)

②ブレンステッド=ローリーの定義(1923年)
高校で習う。アルカリ(塩基)について水酸化物イオンが生じる物質(反応)に限定したため、水溶液中の反応しかカバーできなかったアレニウスの定義を改良。
これによりアンモニアなど気体の反応にも対応できるようになったが、その反面、酸と塩基の尺度が相対的なものとなり、いくらpHが低くても、さらにpHが低い物質と反応する場合は、その物質は塩基ということになった。
酸:他の物質に水素イオン(プロトン)を与える物質
塩基:酸から水素イオン(プロトン)を受け取る物質

③ルイスの定義(1923年)
大学で習う。ブレンステッドとローリーの定義の範囲をさらに拡張。
酸が塩基に水素イオンを与えることは、酸が塩基から電子対を受け取ることとイコールだと考え、水素イオンをもっていないアルミニウムイオンと水の反応など化学反応のほとんどを酸・塩基反応としてカバーできるようになった(アルミニウムイオンが酸、水がアルカリ)。
酸:電子対を受け取る物質
塩基:電子対を与える物質

酸・塩基価数
分子一つから生じる水素イオンや水酸化物イオンの個数のこと。
これに関してはアレニウスの定義が活躍する。

酸の価数
分子式のHの係数がだいたい価数。※酢酸のCH3COOHのH3はカウントしない!
1価の酸:塩酸、硝酸、酢酸
2価の酸:硫酸
3価の酸:リン酸

塩基の価数
分子式のOHの係数がだいたい価数。※アンモニアに注意!
1価の塩基:水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア
2価の塩基:水酸化カルシウム、水酸化バリウム
3価の塩基:水酸化アルミニウム

電離度
酸や塩基を水に溶かしたとき、どれだけイオンに分かれるかの度合い。

電離度(α)=電離した物質の量(mol)/水に溶かした物質の量(mol)

という式で算出されるため、電離度の変域は(0≦α≦1)になる。このとき電離度が1に近いものを強酸・強塩基という(逆が弱酸・弱塩基)。
ちなみに、電離度は価数とは関係がない。例えば強酸の塩酸の価数は一価。
代表的な強酸には、塩酸、硝酸、硫酸が、代表的な強塩基には、水酸化バリウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどがある。

化学電池について

化学電池
二種類の金属板を導線でつなぎ、その間で起こる酸化還元反応(電子のやりとり)を利用して、導線に電気を流す装置。

-極:酸化反応(電子が外れる)が発生。
イオン化傾向が大きい金属板(マグネシウム、アルミニウムなど)がチョイスされる。

+極:還元反応(電子がくっつく)が発生。
イオン化傾向が小さい金属板(銅板など)がチョイスされる。

ボルタ電池
2種類の金属を接触させる、それで弱い電流が発生する。この間に塩水で湿らせた布などをはさめば、電流は飛躍的に強くなる。そしてこの装置をふたつ、みっつとつなぎあわせれば・・・
・・・というわけで、中学校で習う世界初の化学電池。亜鉛版と銅板による酸化還元反応を利用している。
しかし、使用すると次第に+極の銅板に水素ガスが溜まり、まだ電子をもらっていない水素イオンが水素になることを妨げるため、電気が流れにくくなってしまう(分極)という弱点がある。

ダニエル電池
ボルタ電池の衝撃から約30年後(1836年)にイギリスのジョン・ダニエルがボルタ電池の弱点(銅板に水素の泡がつく)を改良したもの。
亜鉛版をひたす電解質水溶液には硫酸亜鉛水溶液、銅板をひたす電解質水溶液には硫酸銅水溶液をチョイスし、この二つの水溶液が混ざらないように素焼き版の仕切りを作った。
これにより、銅板の周りに水素ガスがまとわりつくこともなく、硫酸銅の銅イオンが銅に戻る(析出)だけなので、長時間電気を取り出すことが可能になった。
ちなみに、硫酸銅水溶液から電離した硫酸イオン(陰イオン)は素焼き版の仕切りを通過し、亜鉛版がひたされている硫酸亜鉛水溶液の方に移ることができるようになっている(銅板の方に陰イオンがたまると電子が移動できないため)。

充電
電池から電気を取り出すことを放電というが、この放電とは逆向きに電気を流すことで電池に電気を戻すのが充電である。
充電ができるタイプの電池は二次電池、できない使い切りタイプは一次電池という。

鉛蓄電池
ダニエル電池の衝撃から23年後(1859年)にフランスのガストン・プランテが開発した世界初の二次電池。現在でも自動車のバッテリーとして積まれている。

-極(酸化反応):鉛+硫酸イオン→硫酸鉛
+極(還元反応):酸化鉛+硫酸イオン→硫酸鉛


半反応式
-極:Pb + SO4(2-) → PbSO4 + 2e-
+極:PbO2 + SO4(2-) + 4H + 2e- → PbSO4 + 2H₂O
※充電する場合は→の向きが逆になる(逆向きの電流が流れることで電気分解が起こり、薄くなった硫酸などが元の化学式に戻る)。

全体の化学反応式
加減法をする必要がないので両辺にもあるものを消して、水素イオンの提供者である希硫酸(薄めた硫酸)を加えるだけ。
PbO2 + Pb + 4H + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H₂O

燃料電池
水素と酸素で電気を作るクリーンな電池。副産物も水だけ。
実はダニエル電池発明のわずか3年後の1839年にイギリスのサー・ウィリアム・グローブが実際に水素と酸素から電気を取り出し、その理論を確立したが、長いこと実用化されず不遇の時代を過ごした。その後、1960年代の宇宙開発計画でNASAに採用されたことで一躍スターダムに踊りでた。今では自動車も動かしている。

-極(酸化反応):水素分子 → 水素イオン
+極(還元反応):酸素分子 → 水分子


半反応式
-極:H₂ → 2H + 2e-
+極:O₂ + 4H + 4e- → 2H₂O

全体の化学反応式
2H₂ + O₂ → 2H₂O
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