高校化学 酸化還元・電気分解・電池
F1. 酸化・還元と酸化数
(1) 酸化・還元の定義
- 酸化：電子を失うこと（あるいは酸素を受け取る / 水素を失う）
- 還元：電子を受け取ること（あるいは酸素を失う / 水素を受け取る）
電子のやり取りに注目した定義が、高校電気化学の基礎になる。
(2) 酸化数のルール（高校版）
- 単体：0
- 1 族金属：+1、2 族金属：+2
- フッ素：常に −1
- 水素：通常 +1（金属水素化物では −1）
- 酸素：通常 −2（過酸化物では −1）
(3) 酸化数の増減と酸化・還元
- 酸化：酸化数が増える（電子を失う）
- 還元：酸化数が減る（電子を受け取る）
(4) 酸化剤・還元剤
- 酸化剤：自分は還元されながら、相手を酸化する物質
- 還元剤：自分は酸化されながら、相手を還元する物質
例：
\[
\mathrm{Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu}
\]
Zn：電子を失い酸化される → 還元剤
Cu²⁺：電子を受け取り還元される → 酸化剤
F2. 金属のイオン化傾向
(1) イオン化傾向とは
金属が電子を失って陽イオンになりやすい性質。
一般に
\[
\mathrm{K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > (H) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au}
\]
の順でイオン化しやすい（左ほどイオン化傾向大）。
(2) 反応性との関係
- イオン化傾向の大きい金属は、酸とよく反応して水素を発生
- イオン化傾向の小さい金属は、他の金属イオンを還元して析出させる
(3) 電池反応とのつながり
イオン化傾向の差が大きい 2 種の金属を組み合わせると、
起電力の大きい電池を作れる。
F3. 電池（ガルバニ電池・起電力）
(1) ガルバニ電池とは
自発的な酸化還元反応によって電流を取り出す装置。
酸化が起こる電極を負極、還元が起こる電極を正極と呼ぶ。
(2) ダニエル電池（高校最重要例）
亜鉛板を Zn²⁺ 水溶液に、銅板を Cu²⁺ 水溶液に浸し、
両溶液を塩橋でつないだ電池：
- 負極（酸化）：\(\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-}\)
- 正極（還元）：\(\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu}\)
電池反応（全体）：
\[
\mathrm{Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu}.
\]
(3) 電池式の書き方
ダニエル電池は
\[
\mathrm{Zn | Zn^{2+} || Cu^{2+} | Cu}
\]
のように表される（|：界面、||：塩橋）。
(4) 起電力と標準電極電位（概念）
標準水素電極を基準にした電極電位 \(E^\circ\) を用いると、
電池の標準起電力は
\[
E^\circ_{\text{cell}}
= E^\circ_{\text{正極}} - E^\circ_{\text{負極}}
\]
で与えられる（数値計算は発展的内容）。
F4. 電気分解（Electrolysis）
(1) 電気分解とは
外部から電気エネルギーを加えて、
自発的ではない化学反応を進める操作。
(2) 電極の名称（電池と逆に注意）
- 電源の負極につながる電極：陰極（還元が起こる）
- 電源の正極につながる電極：陽極（酸化が起こる）
(3) 溶融塩の電気分解の例：溶融 NaCl
- 陰極：\(\mathrm{Na^+ + e^- \rightarrow Na}\)
- 陽極：\(\mathrm{Cl^- \rightarrow \frac{1}{2}Cl_2 + e^-}\)
全体の反応：
\[
\mathrm{2NaCl \rightarrow 2Na + Cl_2}.
\]
(4) 水溶液の電気分解（高校でよく出る例）
\(\mathrm{CuSO_4}\) 水溶液の電気分解（不溶性陽極なし）：
- 陰極：\(\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu}\)
- 陽極：\(\mathrm{2H_2O \rightarrow O_2 + 4H^+ + 4e^-}\) など条件による
F5. ファラデーの法則（物質量と電気量）
(1) 電気量と電流
電流 \(I\) が時間 \(t\) 流れるとき、電気量 \(Q\) は
\[
Q = It.
\]
(2) ファラデー定数
1 mol の電荷（1 価のイオン 1 mol のもつ電気量）は
\[
F \approx 9.65 \times 10^4\ \mathrm{C/mol}
\]
（ファラデー定数）。
(3) 電気分解で析出・溶出する物質量
電気量 \(Q\) を流すとき、電荷数 \(z\) のイオンが析出・溶出する物質量 \(n\) は
\[
n = \frac{Q}{zF}
= \frac{It}{zF}.
\]
例：Cu²⁺ の場合 \(z = 2\)。
F6. 電池・電気分解と酸化還元のまとめ
- 酸化：電子を失う、還元：電子を受け取る
- 電池：自発的な酸化還元反応から電流を取り出す装置
- 電気分解：電流を流して非自発的な反応を起こす
- 金属のイオン化傾向の差が電池の起電力の源
- ファラデーの法則で、流した電気量から物質量を計算できる