問題 2

分子状水素（H2）はCO2を排出しない代替燃料であり、その製造コストと環境負荷の低減が大きな課題である。水分解は有望な候補技術である。298 Kでのデータ：

\Delta_f H^\circ

(kJ mol

^{-1}

)：H2(g) 0, H2O(l) −285.8, H2O(g) −241.8, O2(g) 0；

S_m^\circ

(J mol

^{-1}

^{-1}

)：H2(g) 130.6, H2O(l) 69.9, H2O(g) 188.7, O2(g) 205.2。(a) 水の化学量論係数を1として液体水の分解の平衡式を書き、298 Kで反応が熱力学的に有利かどうかを数値で示せ。(b) 酸性水浴中の2電極で電気化学的に水分解できる。各電極での半反応を書き、298 Kで過程が有利となるための印加電圧

\Delta E_{\text{applied}}

と熱力学的しきい値

\Delta E_{\text{th}}

の条件を導け。(c) Pt陰極では最小電圧

\Delta E_{\min}

は陽極に依存する：IrOx 1.6 V、NiOx 1.7 V、CoOx 1.7 V、Fe2O3 1.9 V。水電解の電力効率

\eta_{\text{elec}}

の式を与え、Pt/Fe2O3について計算し、最も効率のよい陽極を答えよ。

ステップ 3/4: 熱力学的電解電圧

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\Delta E_{\text{applied}} > \Delta E_{\text{th}} = \dfrac{\Delta_r G^\circ}{2F} = \dfrac{237.1\times 10^{3}}{2\times 96485} = 1.229\ \text{V}

分析

半反応：陰極 $\ce{2H+ + 2e- -> H2}$ 、陽極 $\ce{H2O -> 2H+ + 1/2 O2 + 2e-}$ 。水1分子の分解に2電子が流れるので、最小印加電圧は $2F\,\Delta E \ge \Delta_r G^\circ$ 、すなわち $\Delta E_{\text{applied}} > \Delta E_{\text{th}} = 1.229$ V。