Dinesh Bafna

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基礎化学コース 電気化学 解答 4

基礎物理化学 本ページには授業内容、 教科書 にない説明の補足、および演習問題とその解答があります。 授業と教科書の対応(教科書にない部分もありますが)は、 google classroom を見てください。 第4回 電気化学測定法の基礎(1) : サイクリックボルタンメトリ 岡島 武義 電気化学および工業物理化学 : denki kagaku 81(8), 655-658, 2013-08-05 電気化学の定番問題(ダニエル電池) 電気化学の定番問題(ダニエル電池) ... 解答 上の図では ... つぎのコースでは、物理化学の基礎を学ぶ。化学平衡式やネルンストの式で、- Ln(生成形の濃度積/原形の濃度積) が出てくることを導きます。 Ooki-Analytical Chemistry-electrochemistry-2. = 0.1 とします。この反応が進んで、[Cu2+]=0.05、[Zn2+] = 物理化学,無機化学,有機化学,化学工学,プロセス制御,量子化学,環境技術,環境触媒化学,光機能化学 等 2~4年生・バイオ応用工学コース ファラデーが発見した電気分解の法則と定数(ファラデー定数)と電子1個の持つ電気量である電気素量についての関係は基礎化学では発展になりますが、化学では普通に良く出ますので理系に進む人は必ず見ておいてください。 ファラデーの … はじめに 本講座の第1回から第3回において,電気化学を理解す るために必要な用語・術語の意味や基礎理論に関してお もに解説がなされた1­3.今回および次回の2回にわたり, 第4回 電気化学測定法の基礎(1) —サイクリックボルタンメトリー— 岡島 武義 1. 基礎化学コース : 電気化学, 渡辺正・金村聖志・益田秀樹・渡辺正義共著, 丸善株式会社, 定価(本体)2, 300 円, isbn 4-621-04889-9 基礎化学,数学,物理学,工学基礎実習,語学系科目,社会科学系科目 等 2~4年生・環境応用化学コース. 二つの水槽にそれぞれ、亜鉛(Zn)と銅(Cu)の電極があり、2 molずつのZn2+, 0.199999でE = 0.94 (V)です。電池残量がゼロになる直前まで、当初の起電力(1.10 V)に近い値が維持されのです。, Ooki-Analytical Chemistry-electrochemistry-2, 水産学部・水産科学研究院 School of Fisheries Sciences & Faculty of Fisheries Sciences. 一般. 0.199でE = 1.032 (V)、[Cu2+]=0.000001と[Zn2+] = ファラデーが発見した電気分解の法則と定数(ファラデー定数)と電子1個の持つ電気量である電気素量についての関係は基礎化学では発展になりますが、化学では普通に良く出ますので理系に進む人は必ず見ておいてください。, ファラデーの法則でポイントになるのは、電流と時間と電気量の関係です。 ファラデー定数は覚えなくても問題に書かれますが、1クーロンって?とならないようにしておきましょう。, 1A(アンペア)の電流が1秒間流れたときの電気量を1C(クーロン)という単位で表します。, さらに、電子(\(\mathrm e^-\))1molあたりの電気量を、 記号 \(F\)(ファラデーと読みます)を用いてファラデー定数といいます。, ※ 電子1個が持つ電気量は、\(1.602\times 10^{-19}\)Cでこれを電気素量といいます。, ファラデー定数は1mol分の電気量となるので、  \(F=(1.602\times 10^{19})\times (6.022\times 10^{23})\) の計算により、, \(F ≒ \color{red}{9.65\times 10^{4}}\)(C/mol), 例えば、5.00Aの電流を6分26秒(386秒)流すと、 流れた電気量は \(5.00\times 386=1930\) Cとなります。, 1.電極で変化するイオンの物質量は流れた電気量に比例する。  2.同一の電気量で変化する各イオンの物質量は物質の種類や電極の種類に関係なくそのイオンの価数に反比例する。, 1.の例 塩化物イオン(\(\mathrm {Cl^-}\))は2molの電子を放出し1molの塩素(\(\mathrm {Cl_2}\))を発生させます。, \(2\mathrm {Cl^-} → \mathrm {Cl_2} + 2\mathrm e^-\), この反応で見ると、2molの電子が流れれば1molの塩素が発生します。 4molの電子が流れれば2molの塩素が発生、 10molの電子が流れれば5molの塩素が発生するということです。, 2.の例 硝酸銀(\(\mathrm {AgNO_3}\))水溶液を電気分解すると  陰極: \(\mathrm {Ag^+} + \mathrm e^- → \mathrm {Ag}\)  陽極: \(2 \mathrm {H_2O} → \mathrm {O_2} + 4 \mathrm {H^+} + 4\mathrm {e^-}\) の反応が起こります。, \(9.65\times 10^4\) Cの電気量を流したとき、 陰極では「1mol」の銀( \(\mathrm {Ag}\) )が析出しますが、 陽極では「0.25mol」(銀の4分の1)の酸素( \(\mathrm {O_2}\) )が発生するということです。, 流れる電気量からファラデー定数を組み合わせ物質量を計算する問題が出ます。 もちろん気体の発生がありますのでモル体積も必要です。, 例題 白金電極を用いて 0.20A で 9650 秒間、硫酸銅(Ⅱ)水溶液の電気分解を行った。 原子量:\(\mathrm {Cu}=64\) ファラデー定数:\(F=9.65\times 10^4\) C/mol として次の問いに答えよ。 (1)陰極に析出する銅は何gか。 (2)陽極で発生する酸素は標準状態で何Lになるか。, こういう問題は数値だけみててもダメです。 できる限り、知っている限り、どういう反応が起こっているか、反応式を書いておくと分かりやすくなります。 かなりのレベルで慣れてくれば書かなくても計算できるようになるかもしれませんが、 普通の高校生なら書きます。, (1) ファラデーの電気分解の法則によれば、電極の種類は関係ないので白金は無視して良いはずですね。 次に流れた電気量ですが、電子の物質量(mol)を出す前にクーロンで出します。  \(0.20\times 9650\) Cです。, 電子の物質量を出すので計算せずにこのまま残しておきます。 化学の計算では1つひとつ計算せず約分を使うとはやいことが多いです。 これは化学に限ったことではないですね。, ただ、格好よくみせるために計算式を1つにまとめるということはしないようにしましょう。 普通の小学生がとく算数の問題のように1つひとつ計算していく、 その方が確実です。, ※ 問題集なんかの解答はきれいに1つの式で求められていますが、真似できなくても大丈夫です。 最初は求められれば良いので、余裕ができてレベルアップするときに1つの式にまとめれば良い、と考えていていいです。, \( \displaystyle 0.20\times 9650\div 96500\\ \\ \displaystyle =\frac{0.20\times 9650}{96500}\\ \\ =0.02(\mathrm {mol})\), \( \mathrm {Cu^{2+}} + 2\mathrm e^- → \mathrm {Cu}\), このイオン反応式は問題で聞かれることが多いですが、 聞かれなくても書いておかないと計算問題は解けるようになりませんよ。, 0.02 molの電子が流れれば銅(\(\mathrm {Cu}\))は0.01 mol生成します。 銅の原子量は64なので、  \(64\times 0.01=0.64\) gの銅が析出するということです。, \(2 \mathrm {H_2O} → \mathrm {O_2} + 4\mathrm {H^+} + 4 \mathrm e^-\), となっています。 流れた電子の物質量は0.020 molなのでその4分の1、 つまり、0.0050 molの酸素が生成します。, 標準状態で気体の体積は \(\color{red}{22.4 \mathrm{L/mol}}\) なので、  \(22.4\times 0.0050=0.112\) Lの酸素が発生するということになります。 有効数字から0.11(L)が答えですね。, で物質量や気体の体積の計算はできるようになっておくと良いですね。 すでに感じているとは思いますが、この程度の計算ができないとこの先「化学」はやっていけません。 ただ、この程度でも普通のレベルまでなら大丈夫です。. 0.15になると、起電力Eは、, E = 1.10 -RT/(2F)・Ln(0.15/0.05) = 1.09 (V), さらに電池反応が進んで[Cu2+]=0.01、[Zn2+] = 0.19になると、E = 1.10 -RT/(2F)・Ln(0.19/0.01) = 1.062 (V)、[Cu2+]=0.001と[Zn2+] = (-0.76) -RT/(2F)・Ln[Zn2+]/[Cu2+], 回路を作った初期は[Cu2+]=[Zn2+] Cu2+, SO42-のイオンが水に溶けています。, 上の図では、銅(Cu)と亜鉛(Zn)が電子を放出する半反応と各物質の標準生成ギブズエネルギー、電子のエネルギーを記しました。これらの半反応で生ずる標準電極電位は、EZn  = -0.76 (V)、ECu = 0.34 (V) と計算されます。, これらの電極がつながって回路になっていれば、電子は電位の低い亜鉛から、電位の高い銅に流れるかもしれません(下の図)。, 残念ながら、これでは回路になっていません。このままでは亜鉛の水槽では陽イオンが過剰、銅の水槽では陰イオンが過剰になり、電荷バランスが崩れてしまい、反応を進めることができない。, 塩橋にはKCl飽和溶液が入っていて、両水槽を電気的につなげ、電荷バランスをとるようにK+とCl-を供給します。その際、両水槽間でZn2+とCu2+がまざらないようにしています。このとき、両水槽間の標準電極電位の差は1.10(V)となります。, ネルンストの式に、未知の[Zn2+]や[Cu2+]を代入します。標準電極電位は、例題1で求めた値です。, E = ECu – EZn = 0.34 –

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