電解質と電気化学電極

電解質と電極の紹介

電解質と電極は電気化学において重要な役割を果たします。電解質は、水に溶解または溶解すると電気を伝導する物質です。一方、電極は、電解質との間で電子を授受する導体です。これらは、酸化還元反応を通じて化学エネルギーから電気エネルギーへの変換を促進します。電極は、金属、金属酸化物、炭素などのさまざまな材料でできています。各タイプの電極には、電気化学セル内での機能に影響を与える独自の特性があります。電解質と電極の仕組みとプロセスを理解することは、電気化学システムの設計と最適化にとって重要です。

電極の仕組みとプロセス

電解質は、水に溶解または溶解すると電気を伝導する物質です。電気化学電極は、電極と電解質の間に電子を流すことによって電気化学反応を促進するデバイスです。電極とは、定義上、電流が電解質に出入りする点です。電流が電極から出るとき、それはカソードとして知られ、電流が入るとき、それはアノードとして知られます。

電極の材質と導電率

電極は、電子を伝達できる金属や炭素などの導電性材料でできています。電極は良好な導電体である必要があるため、通常は金属です。電極に使用される材料の種類は、導電性と反応効率に影響します。一般的に使用される不活性電極には、グラファイト (カーボン)、白金、金、ロジウムなどがあります。一般的に使用される反応性電極には、銅、亜鉛、鉛、銀などがあります。

電極のプロセス

電極が電解質と接触している場合、電極の電位は電解質から電子を引き寄せたり反発したりする可能性があります。これにより酸化または還元反応が発生し、電子の移動と電流の発生が引き起こされます。電極は金属であり、その表面は、金属と溶液中の物質との間に酸化還元平衡が確立される場所として機能します。電極はアノードまたはカソードのいずれかになります。

アノードは電解質混合物から電流または電子を受け取り、酸化されます。原子または分子が電極の表面に十分に近づくと、電極が置かれている溶液が電子を供与します。これにより、原子/分子は陽イオンになります。

カソードでは逆のことが起こります。ここで電子が電極から放出され、周囲の溶液が還元されます。

標準水素電極

標準水素電極 (SHE) は、科学者がすべての半電池電位反応の参考として使用する電極です。標準電極電位の値はゼロであり、これは、異なる電極または異なる濃度を使用して細胞電位を計算するために必要な基礎を形成します。

電池の電極

電極は、バッテリー、燃料電池、センサーなどのさまざまな用途に使用できます。バッテリーでは、電極は電解質との間でエネルギーをやり取りし、接続されている分極デバイスに電力を供給します。このエネルギーは、負に帯電したアノードを通ってバッテリーから出て、デバイスを通って進みます。その後、正に帯電したカソードを介して戻り、還元によって蓄えられた電力が低下します。

電気分解における電極

電気分解は、物質を元の成分または要素に分化するために使用されるプロセスです。電極は浸漬され、距離を置いて分離されます。電流は電解質を通ってそれらの間を流れ、電源に接続され、電気回路が完成します。電気分解中、陰イオンは陽極 (アノード) に引き寄せられ、そこで電子を失って原子または分子を形成します。マイナスイオンが排出されるといいます。アノードで酸化が発生しました。電子はバッテリーのプラス端子に流れ、次にマイナス端子に流れてから、カソードを通って電解質に入ります。負極 (カソード) では、電解質内のカチオンがそれに引き寄せられ、そこで電子を受け取り、原子または分子を形成します。陽イオンが放出されます。カソードで還元が発生しました。

結論として、電極の仕組みとプロセスを理解することは、新しい技術を開発し、既存の技術を改善する上で非常に重要です。電極は、電池から電気分解、センサーに至るまで、科学技術の多くの分野で重要な役割を果たしています。適切な電極材料と設計を使用すると、より効率的かつ効果的な電気化学反応を生み出すことができます。

電極の構成と実施例

電極は、電気化学を含むさまざまな科学および産業プロセスにおいて重要な役割を果たします。これらは金属、グラファイト、カーボンなどの導電性材料でできており、電解質と外部回路の間で電子を伝達するために使用されます。電極の組成はその性能に大きく影響し、特定の用途への適合性を決定します。

電気化学電解セル

電極構成

電極は通常、金属、グラファイト、またはカーボンでできています。白金電極は、その安定性と酸化に対する耐性により、電気化学センサーや燃料電池で一般的に使用されています。カーボン電極は電気化学分析によく使用され、銀 - 塩化銀電極は pH 測定に使用されます。

白金やグラファイトなどの不活性電極は、電気化学プロセス中に発生する可能性のある化学反応に干渉したり関与したりしません。対照的に、銅、銀、金などの反応性電極はセル内で起こる反応に関与し、電解質中で解離する可能性があります。

電極例

分析化学では、金、プラチナ、アモルファスカーボンが電極に使用される代表的な材料です。ガラス電極は pH 測定によく使用されますが、この用途では、水素イオンに対して選択的になるようにガラスに化学ドープが施されています。

電池には、電池の種類に応じてさまざまな電極が含まれています。鉛蓄電池は鉛電極をベースにしており、亜鉛炭素電池は亜鉛およびアモルファス炭素電極を備え、リチウムポリマー電池は固体ポリマーマトリックスで作られた電極を備えており、その中でリチウムイオンが移動して電荷担体として機能します。

電気分解では、さまざまな種類の電極を使用してさまざまな金属を抽出できます。酸化アルミニウムから金属アルミニウムを抽出するホール・エルー法では、アノードとカソードの両方がグラファイトでできています。金属ナトリウムは、炭素陽極と鉄陰極を使用した電気分解によって生成されます。

結論

結論として、電極の組成はその性能に大きな影響を与える可能性があり、用途に応じて異なる電極材料が選択されます。白金やグラファイトなどの不活性電極は化学反応に関与しませんが、銅、銀、金などの反応性電極は電池内で起こる反応に関与し、電解液中で解離する可能性があります。電極は、電池、電気分解、電気化学分析など、さまざまな科学および産業プロセスで使用されます。

電解質の種類と一般的に使用される電解質

電解質は、水に溶解または溶解すると電気を伝導する物質です。これらは、化学エネルギーを電気エネルギーに、またはその逆に変換する装置である電気化学セルの機能において重要な役割を果たします。電解質には、強電解質、弱電解質、非電解質など、さまざまな種類があります。

電気化学電極

強電解質

強電解質は水に溶解すると完全にイオンに解離します。強電解質の例としては、塩化ナトリウム、塩化カリウム、硫酸などが挙げられます。強電解質は、溶液中で自由に移動できる多くのイオンを形成するため、電気をよく伝導します。

弱電解質

弱電解質は、水に溶解すると部分的にのみ解離します。弱電解質の例には、酢酸や水酸化アンモニウムが含まれます。弱電解質は、溶液中で自由に移動できるイオンの形成が比較的少ないため、電気をあまり通しません。

非電解質

非電解質は水に溶けても全く解離しません。非電解質の例には、グルコース、スクロース、エタノールなどがあります。非電解質は溶液中でイオンを形成しないため、電気を通しません。

一般的に使用される電解質

実験室環境で一般的に使用される電解質には、塩化ナトリウム、塩化カリウム、硫酸などがあります。これらの電解質は、電位または電流を測定するために使用されるデバイスである電気化学電極によく使用されます。

塩化ナトリウム

食塩としても知られる塩化ナトリウムは、水に溶解するとナトリウムイオンと塩化物イオンに完全に解離する強力な電解質です。電気化学セルの基準電解質として一般的に使用されます。

塩化カリウム

塩化カリウムは、水に溶解するとカリウムイオンと塩化物イオンに完全に解離する強力な電解質です。電気化学セルの基準電解質として一般的に使用されます。

硫酸

硫酸は、水に溶解すると水素と硫酸イオンに完全に解離する強力な電解質です。鉛蓄電池の電解質として一般的に使用され、さまざまな工業プロセスでも使用されます。

全体として、さまざまな種類の電解質とその特性を理解することは、実験室機器の分野で働く人にとって重要です。電解質の選択は、特定の用途と必要な精度レベルによって異なります。

電解槽と電気分解

電解セルは、電気エネルギーを使用して非自発的な酸化還元反応を駆動する電気化学セルです。電解槽の 3 つの主要な構成要素は、カソード、アノード、および電解質です。電解質は通常、水または他の溶媒に溶解したイオン溶液であり、カソードとアノードの間で電子を交換するための媒体を提供します。

現代のバッテリー

電気分解のしくみ

電気分解は、イオンを含む溶液または溶融物質に電流を流し、内部の物質を分解するプロセスです。電解反応を持続させるには完全な回路が必要であり、イオンが移動できなければなりません。電解槽では直流電源を使用します。つまり、電極は常にプラスかマイナスのどちらかになります。

電解槽の構成部品

カソードは電解槽内の負に帯電した電極であり、アノードは正に帯電した電極です。電解質中のアニオンはアノードに向かって移動して酸化され、電解質中のカチオンはカソードに向かって移動して還元されます。電解槽で使用される電解質は、通常、食塩水または溶融塩です。

電解槽の応用例

電解槽には、水からの酸素ガスと水素ガスの生成、ボーキサイトからのアルミニウムの抽出、多くの非鉄金属の電解精錬など、数多くの用途があります。電解槽は、別の金属の表面に特定の金属の薄い保護層を形成するプロセスである電気めっきにも使用されます。高純度銅、高純度亜鉛、高純度アルミニウムの工業生産も、ほとんどの場合電解槽を介して行われます。

塩化ナトリウムの電気分解

溶融塩化ナトリウム (NaCl) は、溶融塩に浸された 2 つの不活性電極を備えた電解槽を使用して電気分解できます。電流が回路を通過すると、陰極には電子が豊富になり、負の電荷が発生します。正に帯電したナトリウムカチオンは負に帯電したカソードに引き寄せられ、その結果、カソードでナトリウム金属が形成されます。同時に、塩素原子が正に帯電したアノードに引き寄せられ、アノードで塩素ガス (Cl2) が形成され、2 つの電子が放出されて回路が完成します。全体的な細胞反応は 2NaCl → 2Na + Cl2 です。

結論として、電解槽と電気分解は電気化学において重要な役割を果たしており、産業や技術において数多くの応用がなされています。電解質と電気化学電極の特性と挙動を理解することは、新しい技術の開発や既存の技術の改善に不可欠です。

2 種類の電気化学セル: 電圧セルと電解セル

電気化学電池は、内部で起こる化学反応から電気エネルギーを生成する装置です。これらの電池には、電圧電池と電解電池の 2 つのタイプがあります。

ボルテージセル

ガルバニ電池としても知られるボルタ電池は、自発的な酸化還元反応から電気エネルギーを生成します。アノードは酸化を受け、カソードは還元を受けます。電子は外部回路を通ってアノードからカソードに流れ、電流が生成されます。ボルタセルは化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。

電解槽

電解セルは、非自発的な酸化還元反応を駆動するために外部電源を必要とします。アノードは正極、カソードは負極です。電解質溶液には電極に向かって移動するイオンが含まれており、そこで酸化または還元が起こります。電解セルは電気エネルギーを化学エネルギーに変換します。

電圧電池と電解電池の違い

ボルタ電池と電解電池の主な違いは、電気エネルギーの源です。ボルタ電池は自発的な酸化還元反応から電気エネルギーを生成しますが、電解電池は非自発的な酸化還元反応を駆動するために外部電源を必要とします。もう一つの違いは、電子の流れの方向です。ボルタ電池では、電子は外部回路を通ってアノードからカソードに流れますが、電解セルでは、電子は外部回路を通ってカソードからアノードに流れます。

電気化学セルの応用

電気化学セルは、バッテリー、燃料電池、センサーなど、幅広い用途に使用されます。ボルタセルは、テレビのリモコンや時計などの機器に電力を供給するためのバッテリーに使用されます。電解セルは、銅などの金属の電気めっきと精製に使用されます。燃料電池は電気化学反応を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気自動車の動力として使用されます。センサーは電気化学反応を利用して、さまざまな物質の濃度を検出および測定します。

結論として、電気化学セルは、その中で起こる化学反応から電気エネルギーを生成するデバイスです。電気化学セルには、ボルタ電池と電解セルの 2 種類があります。ボルタ電池は化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、電解電池は電気エネルギーを化学エネルギーに変換します。これらのセルは、電池、燃料電池、センサーなどのさまざまな分野で幅広い用途に使用されています。

塩橋の目的と機能

電気化学実験では、電解質と電気化学電極が重要なコンポーネントです。電解質は水またはその他の溶媒に溶解すると電気を伝導しますが、電気化学電極は溶液と電極間の電子の移動を促進します。これら 2 つのコンポーネントが結合して電気化学セルを形成します。塩橋は、セルの 2 つのコンパートメント間のイオンの流れを可能にし、電荷のバランスを維持するため、このセットアップの重要な部分です。

塩の橋とは何ですか?

塩橋は通常、塩化カリウムなどの高濃度のイオンを含む不活性電解質で構成されています。塩橋の目的は、どちらかのコンパートメントでの電荷の蓄積を防止することです。電荷が蓄積すると、起こる化学反応が妨げられます。これは、2 つのコンパートメント間でイオンを継続的に交換することで実現され、電荷の蓄積を防ぎ、電気化学セルの安定性を維持します。

塩の橋はどのように機能するのでしょうか?

電子が外部回路を介して一方のハーフセルからもう一方のハーフセルに流れると、電荷の差が生じます。イオン接触が提供されなかった場合、この電荷の差により電子の流れがすぐに妨げられます。塩橋により、負イオンまたは正イオンの流れが酸化容器と還元容器の間で定常状態の電荷分布を維持し、それ以外の場合は内容物を分離した状態に保ちます。

塩橋のコンポーネント

塩橋は電解質とセルセパレーターで構成されています。電解質はイオンを含む溶液であり、セルセパレータは電気化学セルの 2 つのコンパートメントを分離する材料です。セルセパレーターは、U 字型の管で塩化ナトリウムや硝酸カリウムなどの電解質が充填されたガラス管ブリッジにすることができます。濾紙ブリッジは、電解質を染み込ませた濾紙などの多孔質材料で形成される別のタイプのセパレーターです。