目指せ!エネルギー管理士 電気分野

2019年11月4日作成,2019年11月5日更新

平成30年度 問題14 電気化学

(1) 電気化学システム

電池や電気分解に用いられる電気化学システムでは酸化反応が起こるアノードと還元反応が起こるカソードの二種類の電極と,この二種類の電極間でイオン伝導を担う電解質が基本構成となる。また,必要に応じてアノードとカソードを分離する隔膜が用いられる。電気化学システムではアノード|電解質部で生成された電子が外部回路を通り,対となる電極に達する。このとき,電解質中では外部回路を通る電流と等しい大きさの逆向きの電流が流れる。このように,電子とイオンが異なった場所を移動するのが電子化学システムの一つの特徴である。

電気化学システムの電極
電極 説明
陽極 アノード(Anode) 外部回路から電流が流入する,すなわち外部回路に電子が流出し,酸化反応が起こる。
陰極 カソード(Cathode) 外部回路に電流が流出する,すなわち外部回路から電子が流入し,還元反応が起こる。

(2) 電気化学システムの電解質

電気化学システムの電解質には多くの種類がある。室温付近で使われる電解質として,酸又はアルカリ水溶液がある。自動車のエンジンの始動用に使われる鉛蓄電池では硫酸水溶液,アルカリ蓄電池では水酸化カリウム水溶液が使われている。

パソコンやスマートフォンなどに使われているリチウムイオン電池では,セル電圧が 3.6 ~ 4 V 程度で水の分解電圧より大きいので,水溶液は使えない。したがって,有機電解質が使われている。

二次電池の構成要素
二次電池 正極 負極 電解質
鉛蓄電池 二酸化鉛 PbO2 鉛 Pb 希硫酸
リチウムイオン電池 リチウム遷移金属複合酸 炭素材料 有機溶媒

(3) 食塩の電気分解による塩素,水酸化ナトリウムの生成

化学工業の基礎材料である塩素,水酸化ナトリウム(苛性ソーダ)は,次の反応式で表される食塩水の電気分解を利用して生成される。

2 NaCl + 2 H2O → Cl2 + H2 + 2 NaOH

この反応で,1 mol の水酸化ナトリウムが生成するのに必要な電子は 1 [mol] である。また,この反応では同時に水素も生成される。水素は電解槽の中のカソードが還元されて生成されるが,1 mol の水素が生成されるのに必要な電子は 2 [mol] である。

ここで,Na の原子量が 23.0,O の原子量が 16.0,H の原子量が 1.01 であり,ファラデー定数が 96 500 C/mol であるとすると,水素 1 g は 4.95 × 102 [mol] であるので,水素 1 kg を製造するのに必要な理論電気量は,9.55 × 107 [C] となる。

水素 1 kg を製造するのに必要な理論電気量は,次式で求められる。

4.95 × 102 [mol/g] × 1 000 [g] × 96 500 [C/mol] × 2 = 95 535 000 [C] = 9.55 × 107 [C]
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