12年生

電気分解・腐食と金属の防食

電気で反応を逆向きに進ませること、そして錆の背後にある同じ電気化学。

直観直観：逆向きに動かした電池

ガルバニ電池は自発反応から電気をつくる。電気分解では外部電源が電子を逆向きに押し、水の分解のような非自発反応を進ませる。酸化は今もアノード、還元はカソードで起こるが、今度はアノードが正極、カソードが負極になる。

電流と時間を変えてみよう。

\ce{H2}

の体積は常に

\ce{O2}

の2倍で、電気量

It

に比例して増える。

学校学校レベル：ファラデーの法則

n(e^-) = \frac{It}{F},\qquad m = \frac{M\,I\,t}{z\,F},\qquad F = 96485\ \text{C/mol}

例: 銅めっき

$\ce{CuSO4}$ 溶液に 2.0 A の電流を 30 分間流した。陰極に析出する銅の質量は？

解答

$Q = It = 2.0 \times 1800 = 3600$ C より $n(e^-) = 3600/96485 = 0.0373$ mol。 $\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}$ は原子1個あたり電子2個を要するので $n(\ce{Cu}) = 0.0187$ mol、 $m = 0.0187 \times 63.55 \approx 1.19$ g。

水の電気分解では、陰極で $\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}$ 、陽極で $\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}$ が起こる。 $\ce{O2}$ 1個に電子4個、 $\ce{H2}$ 1個には電子2個が必要なので、体積比は 2 : 1 になる。

大学大学：短絡した電池としての腐食

錆は鉄の表面にできた微小なガルバニ電池である。鉄がむき出しの所はアノードとして $\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}$ 、酸素と水のある別の所ではカソード反応 $\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}$ が起こる。生成物は $\ce{Fe(OH)2}$ を経て、最終的に含水酸化鉄(III)、つまり錆になる。

鉄を守るには、塗装や亜鉛めっきで覆うか、亜鉛やマグネシウムのような酸化されやすい金属とつなぐ。「犠牲陽極」が代わりに腐食する。亜鉛が効くのは $E^\circ(\ce{Zn^2+/Zn}) = -0.76$ V が $E^\circ(\ce{Fe^2+/Fe}) = -0.44$ V より低いからである。