塩化銅水溶液の電気分解の化学反応式は？陽極や陰極は？気体や実験方法も【炭素棒はなぜ？考察】

塩化銅水溶液の電気分解の化学反応式は？陽極や陰極は？気体や実験方法も【炭素棒はなぜ？考察】

中学校や高校の化学実験で必ず登場する塩化銅水溶液の電気分解。この実験では陽極から気体が発生し、陰極には赤褐色の物質が析出するという、視覚的にも分かりやすい変化が観察できます。

しかし、なぜ陽極と陰極で異なる物質が生成されるのでしょうか？また、電極に炭素棒を使用する理由は何なのか？こうした疑問を持つ方も多いはず。

本記事では、塩化銅水溶液の電気分解における化学反応式を陽極・陰極それぞれについて詳しく解説していきます。さらに実験方法や炭素棒を使う理由、考察のポイントまで、しっかりとお伝えしますので、ぜひ最後までご覧ください。

 

塩化銅水溶液の電気分解の化学反応式

それではまず、塩化銅水溶液の電気分解における化学反応式について解説していきます。

塩化銅（CuCl₂）を水に溶かすと、イオンに電離します。この水溶液に電圧をかけることで、各イオンが電極に引き寄せられ、それぞれ特有の反応を起こすのです。

 

陽極での反応式

陽極（＋極）では、陰イオンである塩化物イオン（Cl⁻）が引き寄せられます。

塩化物イオンは電子を失って酸化され、塩素分子（Cl₂）となって気体として発生するでしょう。

この反応により、黄緑色の塩素ガスが発生します。塩素は特有の刺激臭を持つため、実験時には換気に注意が必要です。

 

陰極での反応式

陰極（－極）では、陽イオンである銅イオン（Cu²⁺）が引き寄せられます。

銅イオンは電子を受け取って還元され、金属銅として析出するのです。

この反応により、陰極の表面に赤褐色の金属銅が付着します。実験を続けると、銅の層がどんどん厚くなっていくのが観察できるでしょう。

 

全体の反応式

陽極と陰極の反応式を組み合わせることで、電気分解全体の反応式が得られます。

この式から分かるように、塩化銅が銅と塩素に分解されることが電気分解の本質です。電気エネルギーを利用して、化合物を構成元素に分離しているわけですね。

 

陽極と陰極で発生する物質

続いては、陽極と陰極で発生する物質の詳細を確認していきます。

電気分解では、電極の極性によって全く異なる物質が生成されます。この違いを理解することが、イオンの移動と電子の授受を理解する鍵となるでしょう。

 

陽極で発生する気体

陽極で発生する気体は塩素（Cl₂）です。

塩素は以下のような特徴を持ちます。

項目	特徴
色	黄緑色
におい	刺激臭（プールのような臭い）
毒性	有毒（吸入注意）
水への溶解性	やや溶ける
沸点	-34.04℃

塩素は漂白作用や殺菌作用を持つため、プールの消毒などに利用されています。しかし高濃度では有毒なので、実験時は必ず換気を行いましょう。

塩素の安全データシート（GHS分類）については、独立行政法人製品評価技術基盤機構（NITE）の化学物質管理情報で確認できます。
https://www.nite.go.jp/chem/ghs/ghs_search.html

 

陰極で析出する物質

陰極で析出する物質は金属銅（Cu）です。

最初は青緑色を帯びた塩化銅水溶液ですが、電気分解が進むにつれて溶液の色が薄くなっていきます。これは銅イオンが減少しているためですね。

析出した銅は以下の特徴を示します。

– 赤褐色の金属光沢
– 電極表面にしっかり付着
– 導電性が高い
– 延性・展性に富む
– 融点：1084.62℃

実験後、陰極を取り出して観察すると、銅のメッキが施されたような状態になっているでしょう。

 

電極反応のまとめ

電極反応を整理すると、以下のようになります。

このように、陽極では酸化、陰極では還元が起こります。これは電気分解の基本原理であり、他の水溶液の電気分解でも同様です。

 

塩化銅水溶液の電気分解実験方法

続いては、実際の実験方法を確認していきます。

学校の実験室で安全に行える標準的な手順をご紹介しましょう。

 

必要な器具と試薬

実験に必要な器具と試薬は以下の通りです。

【器具】
– 電解槽（ビーカーでも可）
– 炭素棒電極 2本
– 直流電源装置
– 導線とクリップ
– 試験管 2本（気体捕集用）
– スタンドとクランプ

【試薬】
– 塩化銅（CuCl₂）
– 蒸留水または精製水

塩化銅水溶液は、濃度5〜10%程度が適しています。濃すぎると電流が流れすぎて危険であり、薄すぎると反応が遅くなってしまうでしょう。

 

実験手順

実験の手順を順番に説明します。

実験中は、陽極から気泡が発生し、陰極の表面が赤褐色に変化していく様子が観察できます。溶液の青緑色も徐々に薄くなっていくでしょう。

 

観察のポイント

実験中に注目すべきポイントは以下の通りです。

1. 陽極からの気泡の発生
塩素ガスが発生するため、黄緑色がかった気泡が見られます。においにも注意しましょう。

2. 陰極の色の変化
最初は黒っぽい炭素棒が、徐々に赤褐色の銅で覆われていきます。

3. 溶液の色の変化
青緑色の溶液が徐々に薄くなり、最終的にはほぼ無色になることもあります。

4. 電流計の値
電流の大きさから、反応の進行度を推測できるでしょう。

 

炭素棒を電極に使う理由と考察

続いては、なぜ炭素棒を電極に使用するのか、その理由を確認していきます。

電極材料の選択は、実験の成功に大きく影響します。炭素棒が選ばれる理由を理論的に理解しましょう。

 

なぜ炭素棒が適しているのか

炭素棒が電極材料として適している理由はいくつかあります。

1. 化学的に安定
炭素は常温では酸化されにくく、電気分解中にほとんど反応しないという特徴があります。これにより、純粋に水溶液中のイオンの反応だけを観察できるのです。

2. 導電性が高い
炭素（黒鉛）は金属ではありませんが、電気をよく通します。黒鉛の層状構造により、層間で自由電子が移動できるため、電気分解には十分な導電性が得られるでしょう。

3. 入手しやすく安価
炭素棒は乾電池の中心棒として使われているため、容易に入手できます。実験用として経済的なのも大きな利点ですね。

4. 加工しやすい
適切な長さに切断したり、表面を研磨したりといった加工が比較的容易です。

 

他の電極材料との比較

炭素棒以外の材料を電極に使った場合、どうなるのでしょうか？

電極材料	特徴	塩化銅水溶液での問題点
炭素棒	安定・導電性良好	特になし（最適）
銅板	導電性は良好	陽極が溶けてしまう
鉄板	導電性は良好	錆びやすく、反応に影響
白金電極	最も安定	高価すぎる

例えば銅板を陽極に使うと、銅板自体が溶けて銅イオンになってしまうため、塩化物イオンの酸化反応が観察できません。これでは実験の目的が果たせないでしょう。

白金電極は理想的ですが、非常に高価なため学校実験には不向きです。

 

実験における注意点と考察

炭素棒を使った電気分解実験では、以下の点に注意が必要です。

また、実験後の炭素棒は再利用できます。表面を洗浄し、乾燥させれば次の実験でも使えるでしょう。

ただし、陰極として使った炭素棒には銅が付着しているため、そのまま使うと実験結果に影響を与えます。付着した銅を完全に除去するか、新しい炭素棒を使用することをお勧めします。

考察のポイント

実験後のレポートでは、以下の点を考察すると良いでしょう。

– なぜ陽極と陰極で異なる物質が生成されるのか
– イオン化傾向と電極反応の関係
– 電気分解と電池（ボルタ電池など）との違い
– 実際の銅精錬への応用

これらの視点から、電気分解の原理を深く理解することができます。

 

まとめ 塩化銅水溶液の電気分解の陽極や陰極は？気体や実験方法も【炭素棒はなぜ？考察】

塩化銅水溶液の電気分解について、化学反応式から実験方法、炭素棒を使う理由まで詳しく解説してきました。

陽極では塩化物イオンが酸化されて塩素ガスが発生し（2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻）、陰極では銅イオンが還元されて金属銅が析出します（Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu）。全体の反応式はCuCl₂ → Cu + Cl₂と表され、電気エネルギーによって塩化銅が構成元素に分解される過程が確認できるでしょう。

実験では炭素棒が電極として最適な理由として、化学的安定性、十分な導電性、入手の容易さが挙げられます。他の金属電極では不要な反応が起こってしまうため、純粋に水溶液中のイオン反応を観察するには炭素棒が理想的なのです。

実験時には塩素ガスの毒性に十分注意し、換気の良い環境で行うことが重要。安全に配慮しながら、陽極と陰極での変化、溶液の色の変化をしっかり観察することで、イオンの移動と電子の授受という電気分解の本質を理解できます。

この実験は、酸化還元反応やイオン化傾向を学ぶ上で非常に重要な基礎実験です。実際の銅精錬やメッキ技術にも応用されている原理であり、化学の理論と実践をつなぐ貴重な学習機会となるでしょう。