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水の電気分解

1800-05-02
  • William Nicholson
  • Anthony Carlisle
Electrolysis apparatus demonstrating water decomposition into hydrogen and oxygen gases.

(画像はイメージです)

水の電気分解とは、水(H₂O)に電流を流すことによって、水が構成元素である酸素(O₂)と水素(H₂)に分解される過程である。陰極では、2分子の水が還元されて水素ガスと水酸化物イオンが生成される。陽極では、2分子の水が酸化されて酸素ガス、陽子、電子が生成される。

純水が水素と酸素に分解する反応は、熱力学的に不利なプロセスであり、電気エネルギーという形で外部エネルギーを必要とします。純水は電気伝導性が低いため、通常は少量の可溶性塩や硫酸などの酸といった電解質を添加して導電率を高めます。この反応の全体的な平衡式は、[latex]2H_2O(l) rightarrow 2H_2(g) + O_2(g)[/latex]です。

このプロセスは電解セル内で起こります。負に帯電した陰極では、還元反応が起こります。[latex]2H_2O(l) + 2e^- rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq)[/latex]。正に帯電した陽極では、酸化反応が起こります。[latex]2H_2O(l) rightarrow O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-[/latex]。陰極で生成される水素ガスの体積は、陽極で生成される酸素ガスの体積のちょうど2倍であり、これは水の化学量論の直接的な結果です。この2:1の体積比は、化学の授業でよく行われる古典的な実験であり、ホフマンボルタメーターを使用して行われることが多いです。

The minimum voltage required for electrolysis to occur, known as the decomposition potential, is 1.23 V at standard conditions. However, in practice, a higher voltage, called overpotential, is needed to overcome various activation barriers. The efficiency of water electrolysis is a key factor in the viability of a hydrogen-based economy, with significant research focused on developing more effective and cheaper catalysts for the anode and cathode to reduce the overpotential and energy consumption.

UNESCO Nomenclature: 2406
電気化学

タイプ

化学プロセス

混乱

実質的な

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ヘンリー・キャベンディッシュによる水素の発見
  • カール・ヴィルヘルム・シェーレとジョセフ・プリーストリーによる酸素の発見
  • invention of the voltaic pile by alessandro volta

アプリケーション

  • 燃料電池および車両用水素の製造
  • 医療および産業用途向けの高純度酸素の製造
  • 潜水艦や宇宙船の生命維持システム
  • 溶接・切断トーチ(酸素水素)
  • 重水素(重水)の生成

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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歴史的背景

水の電気分解

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1880
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1910
1921
1930
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1834-01-01
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1902
1920
1928
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(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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