高校 · 10分

ホフマン電解装置での水の電気分解

水を水素と酸素に分解し、ファラデーの法則と体積比 2 : 1 を確かめる。

目的

$n(\ce{H2}) = It/2F$ を確かめ、水素と酸素が 2 : 1 で発生すること、体積が $I$ と $t$ にどう依存するかを調べる。

器具と試薬

少量の塩または希酸を溶かして導電性を持たせた水を入れたホフマン電解装置、低電圧の直流電源と電流計。

手順

I = 1 A、t = 60 s にして、2つの体積を読む。
時間を2倍にし、次に電流を2倍にして、体積を比べる。
I = 1 A、t = 300 s にして、2つの体積の比を調べる。

観察すること

1 A では 60 s で H₂ 約 7.6 mL、300 s で H₂ 38.0 mL と O₂ 19.0 mL。
体積は電気量 I·t に比例し、どちらを2倍にしても2倍になる（2 A で 300 s なら H₂ 76.1 mL）。
水素は負極、酸素は正極に集まる。

解説

陰極： $\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}$ 。陽極： $\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}$ 。全体： $\ce{2H2O -> 2H2 + O2}$ 。電気量 $Q = It$ は $Q/F$ mol の電子に相当し（ $F = 96485$ C/mol）、 $n(\ce{H2}) = It/2F$ 、 $n(\ce{O2}) = It/4F$ となるので体積比は 2 : 1 である。ここでの体積は $V_m = 24.47$ L/mol（25 °C、1 atm）を使い、気体の溶解や水蒸気は無視しているため、実測値はやや小さくなる。

実験の歴史

ボルタが電池を発表して数週間後の 1800 年 5 月、ニコルソンとカーライルはそれで水を分解し — やがてデービーの電気分解がポタシュとソーダを裂いてカリウムとナトリウムを現させた（1807）。1834 年のファラデーの法則は泡を定量化した：気体の体積は流れたクーロン数の直接の記録、

n(\ce{H2}) = It/2F

であり、まさにこの実験が行う計算である。

ゆかりの化学者

マイケル・ファラデーハンフリー・デービー