化学の巻(高校化学) nao blog

様々な本(小説や実用書)または化学(高校生向け)に関するトピックを紹介していきます。

化学の巻↓ 理論化学(高校)

理論化学(15)大学入試対策[電池・電気分解 ]

投稿日:10月 29, 2021 更新日:

・問題1金属の反応とイオン化傾向の問題

(問題)9種の金属A~Iは銀、ナトリウム、銅、アルミニウム、水銀、ニッケル、鉄、スズ、亜鉛のいずれかに相当する。金属A~Iの性質や反応性に相当する金属を上に示した金属の中から選び、その元素記号を書け。

(1)金属A,B,Cは水酸化ナトリウム水溶液にも希硫酸にも溶けて水素を発生する。金属A,B,Cのうちイオン化傾向が最小であるのはCである。

(2)金属Dは常温で水と激しく反応し、水素を発生した。

(3)上に示した金属の中で金属Dは密度が最小である。また比重の小さい金属と言われている。

(4)金属E,F,Gは塩酸に溶けにくいが、熱濃硫酸と反応して気体を発生する。

(5)金属B,H,Iは濃硝酸と不導体を作り、ほとんど反応しない。

(6)上に示した金属の中で金属Fは融点が最も低く、金属Hの融点が最も高い。

(7)上に示した。金属の中で金蔵Fは電気抵抗が大きいので発熱体として使用される。クロムと金属Hと金属Iの合金はさびにくいので広く利用されている。また金属Hの赤褐色の酸化物は顔料や磁性材料などに用いられている。

(8)金属Eの表面には二酸化炭素を含む湿った空気中で、徐序に緑色のさびが生じてくる。

解答および解説)

(A)Zn(B)Al(C)Sn(D)Na(E)Cu(F)Hg(G)Ag(H)Fe(I)Ni

題意の金属をイオン化傾向の順番に並べると

Na>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>(H2)>Cu>Hg>Ag

(1)A,B,Cは両性元素なのでAl,Zn,Sn。Cはこの中でイオン化傾向が最小なのでSnとなる。

(2)常温で水と激しく反応するのはNaなのでDはNa

(3)軽金属は比重4以下の金属でアルカリ金属、2族、Alの単体が仲間である。よってBはAlとなり(1)消去法よりAはZnである。

(4)Cu,Hg,Agは硝酸や熱濃硫酸に酸化されて溶解する特徴がある。

(5)Fe,Ni,Al,Co,Crは不導体を形成するので濃硝酸には溶けない。

(6)最も融点が低いのはHg(水銀)である。よってFはHg.

(7)最もよく電気を通すのはAg。よって(4)消去法でEはCuと決まる。CrとNiの合金であるニクロムは電気抵抗が大きいのでニクロム線のような発熱体に用いられている。

(8)Cuを二酸化炭素を含む湿った空気中に放置すると緑青と呼ばれるオキシ炭酸銅(Ⅱ)が生じる。

問題2ダニエル電池の問題

下図のように自作したダニエル電池の起電力は約1.0V、両電極を図にように抵抗を介さずに直接結んだときの電流値は0.1Aであった。電極板の表面積と隔膜の影響を調べるために次のような実験を行った。


実験1)この電池に使用した銅板および亜鉛板の表面積の半分をパラフィン(ろう)で被膜したあと、電流値と起電力を測定した。なお起電力は図中のスイッチSを開いてから測定した。

(実験2)素焼き板を取り除き、両液が自由に混合できるようにしたあと、電流値を測定した。

(実験3)素焼き板の代わりに細孔のまったくないポリエチレン膜を隔膜に用い、電流値を測定した。

(1)実験1での起電力はもとの電流値と比較してどう変化したか。またその理由を40字程度で答えよ。

(2)実験1,2、3での各電池の電流値はもとの電池に比べて、それぞれどう変化したか。またそれぞれの変化の理由を40字程度で述べよ。

解答および解説)

(1)変化しない。両電極のイオン化傾向の差も溶液の濃度も変わらないので起電力は変化しない。

ダニエル電池の起電力は各電極の電位差として表されるので、電極の種類を変えない限り起電力は変化しない。

(2)実験1:小さくなる。電極間の表面積を小さくすると、電子授受の可能なイオンの数が減少するからである。

実験2:やがて0になる。両液を混合すると亜鉛板上でCu2++2e→Cuの反応がおこり、外部回路に移動する電子の数が著しく減少しやがて電子の移動も止まるから。

実験3:やがて0になる。ポリエチレンは水やイオンを通さないので、両液間でのイオンの移動ができなくなり、結局、外部回路への電子の移動も起こらなくなるから。

 実験2において亜鉛板上でCuイオンが電子を受け取りCuが析出する反応がおこり、この析出したCuとZnが小さな電池(局部電池)を作るので外部回路への電流は著しく減少していく。実験3は水溶液中でのイオンの移動がなくなると負極、正極における反応がおこならなくなるので電子の移動ができないからである。

ここで少し復習 ボルタ電池に比べてダニエル電池の方が優れている理由。

負極活物質は同じ亜鉛であるが、正極活物質のボルタ電池は水素イオン、ダニエル電池は銅(Ⅱ)イオンである。銅(Ⅱ)イオンは水素イオンより酸化剤として強いのでダニエル電池の方が起電力は大きい。またボルタ電池は正極で水素が発生する際に急激な起電力の低下を伴うのでダニエル電池より放電時間が短いからである。

問題3鉛蓄電池の問題

鉛蓄電池は鉛を負極、酸化鉛(IV)を正極として、密度1.2g/cm3の希硫酸にひたしたものでその起電力は約2ボルトである。この電池を放電すると負極では酸化反応、正極では還元反応がおこり、両極にはともに硫酸鉛(Ⅱ)という物質が付着するとともに電解液の密度は減少する。またある程度放電したのち鉛蓄電池の正極および負極にそれぞれ別の直流電源の正極および負極を接続して電流を通じると逆反応がおこってもとの状態に戻すことが出来る。この操作を充電という。鉛蓄電池は放電、充電を繰り替えすうちにその電解液は徐序に減少する。 [原子量 H:1.0,O=16,S=32,Pb=207]  (摂南大改)

(1)放電時の負極、正極でおこる変化をそれぞれ電子e―を用いた反応式で示せ。

(2)下線部の理由を答えよ。(水分の蒸発以外で)

(3)希硫酸(密度1.20g/cm3),30%)2.0Lを電解液とする鉛蓄電池を放電させて、9.65×104Cの電気量を取り出した。答えの数値は小数第一位まで求めよ。

(A)負極と正極ではそれぞれ何gずつの質量の増加、減少が見られるか。

(B)放電後の希硫酸の質量パーセント濃度を求めよ。

解答および解説)

(1)負極:Pb+SO42→PbSO4+2e            

正極:PbO2+SO42-+4H++2e→PbSO4+2H2O

放電時に鉛蓄電池の負極から電子を取り出していたので、充電時には外部電源の負極から鉛蓄電池の負極へ電子を送り込む必要がある。このとき放電時の逆反応がおこり電極はもとへ戻り起電力が回復する(充電)。鉛蓄電池のように充電が可能で再使用ができる電池が二次電池、充電ができずに再使用できないのが一次電池である。

(2)充電したときに水の一部が電気分解されてしまう。

二次電池の充電を繰り返していくことを過充電といい、水の電気分解がおこるので負極から水素、、正極から酸素が発生して電解液中の水だけ減少していくので蒸留水などを補充する必要がある。

(3)(A)負極:48.0g増加、正極:32.0g増加

まずは負極での反応式に注目する2molの電子が反応するとPb(原子量207)1molがPbSO4(式量303)1molに変化している。このとき質量は303-207=96g増加している。

ファラデー定数F=9.65×104C/molなので9.65×104Cの電気量は

9.65×104[C]÷9.65×104[C/mol]=1.0[mol]の電子に相当する。

よて負極での質量増加量は

1.0×0.5×96=48.0g

正極では2molの電子が反応するとPbO2(293)1molがPbSO4(303)1molに変化している。

このとき質量は303-239=64g増加している。よって正極での質量増加量は

1.0×0.5×64=32.0g増加

(3)(B)55.5%

(1)の反応式を一つにまとめる

Pb+PbO2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O この式は電子が二つ分消えている。2molの電子が移動することでH2SO4が2mol消費され、同時にH2Oが2mol生成されている。1.0molの電子が流れた場合、

消費されたH2SO4の質量は1.0×98=98g

生成されたH2Oの質量は1.0×18=18g

放電後の質量パーセント濃度を求めると

問題4 燃料電池の問題

図は水素―酸素燃料電池の概略図である。触媒作用のある2枚の多孔質電極に仕切られた容器に電解液(リン酸水溶液)を入れてある。そして負極、正極にはそれぞれ気体の水素と酸素を供給した。(東京慈恵会医科大改)

(1)この燃料電池でおこる負極、および正極の反応を電子e-を含む反応式で示せ。

(2)この燃料電池をある時間運転したところ1.93×108Cの電気量を得ることが出来た。このときの化学エネルギーが全て電気エネルギーに変換されたとすれば、何kgの水が生じたか整数値で記せ。ファラデー定数9.65×104C/mol(原子量:H=1.0.O=16.0

(3)リン酸を電解液とした水素燃料電池では酸素の代わりに空気を用いることも可能であるが、水酸化カリウムを用いた水素燃料電池では酸素しか用いることはできない。これは空気を用いるとある副反応がおこり電解液の電気抵抗が増大することが主な原因と考えられる。この副反応を化学反応式を用いて記せ。

(4)化学的にみると燃料電池は一次電池や二次電池とは異なる特色をもつ。そのうち活物質の供給方法についての特色を説明せよ。

問題5(アルカリ)マンガン乾電池の問題

次の文章の空欄(ア)~(ク)に当てはまる適当な化学式または語句を記入せよ。

マンガン乾電池は亜鉛を負極活物質、黒鉛を正極、(ア)を正極活物質とし、電解液として主に塩化アンモニウムや塩化亜鉛水溶液を用いさらに合成のりを加えて内容物がこぼれないように工夫された代表的な一次電池である。

マンガン乾電池を放電すると負極ではZn→(イ)+2eなる反応が起こる。負極から溶け出した亜鉛イオンはさらにアンモニウムイオンと反応して(ウ)という錯イオンを形成するので電解液中の亜鉛イオンの濃度は常に一定に低く保たれる。ところで電池内部において負極から正極へ向かって電荷を運ぶのは主に(エ)である。(エ)は正極で電子を受け取るが直ちに(ア)により酸化されて水になるので気体の発生が避けられる。このように(ア)は電池の分極を防ぐ(オ)としても働く、現在では正極ではMnO2+e+H+→(カ)なる反応が起こっていると考えられる。さて電解液に水酸化カリウム水溶液を用いたアルカリマンガン乾電池では負極から溶け出したZn2+は溶液中のOHと反応し、(キ)という錯イオンとなる。一方、正極ではMnO2+e+H2O→(カ)+(ク)なる反応が主に起こっていると考えられる。

(解答および解説)

(ア)酸化マンガン(IV)(イ)Zn2+(ウ)テトラアンミン亜鉛(Ⅱ)イオン or ジアンミン亜鉛(Ⅱ)イオン(エ)オキソニウムイオン(水素イオン)(オ)減極剤(カ)MnO(OH)(キ)テトラヒドロキシド亜鉛酸(Ⅱ)イオン(ク)OH

<従来型のマンガン乾電池>の電池式

(-)Zn|NH4Claq,ZnCl2aq|MnO2・C(+)

負極では溶解した亜鉛(Ⅱ)イオンは電解液中のNH4+と反応して安定な錯イオンをつくるので溶液中のZn2+イオンの濃度は常に低く保つ必要がある(亜鉛のイオン化を進みやすくするため)。

Zn2++4NH4+→[Zn(NH3)4]2++4Hテトラアンミン亜鉛(Ⅱ)イオン

Zn2++2NH4+→[Zn(NH3)2]2++2H+ ジアンミン亜鉛(Ⅱ)イオン

正極では負極付近で生じたH+が反応するのでH+が負極から正極に向かって電荷を運ぶ。MnO2自身が酸化剤として直接電子を受け取るのでその際にH+も一緒に反応して酸化水酸化マンガン(Ⅲ)MnO(OH)が生成する

MnO2+H++e→MnO(OH)

<アルカリマンガン乾電池>

(-)Zn|ZnO,KOHaq|MnO2・C(+)

負極ではZn2+はヒドロキシド錯イオンをつくるのでZn2+の増大を防ぐことができる。

Zn2++4OH→[Zn(OH)4]2-  テトラヒドロキシド亜鉛(Ⅱ)酸イオン

正極付近で生じたOHが正極から負極にむかって電荷を運んでいる。正極ではMnO2自身が電子を受け取りその際にH2Oも一緒に反応する。

MnO2+e+H2O→MnO(OH)+OH

<現在のマンガン乾電池>

ZnCl2が主成分でNH4Clが少し含まれている。放電時の反応は

Zn+2H2O→Zn(OH)2+2H++2e

Zn(OH)2とZnCl2は次のように複塩を作る。

Zn(OH)2+4ZnCl2→Zn(OH)2・4ZnCl2

水が消費され複塩(水に不溶性)を作るので液漏れがおこりにくくなっている。

正極の反応は従来と変わらない。

問題6リチウムイオン電池の問題

リチウムは最も軽い金属である。電池の素材として有用であり、リチウム電池とリチウムイオン電池(リチウム二次電池)に用いられている。リチウムイオン電池は負極活物質にリチウム、正極活物質に酸化マンガン(IV)を用いた一次電池である。起電力は約3Vであり、(a)マンガン乾電池の起電力より大きい。リチウムは水と反応しやすいので電解液にはリチウムイオンを含む有機化合物を用いている。腕時計、電卓、心臓ペースメーカなどさまざまな用途に利用されている。一方(b)リチウムイオン電池はリチウムの単体を用いないのでリチウムイオン電池より安全性が高い。負極活物質にリチウムを含む黒鉛、正極活物質にコバルト(Ⅲ)酸リチウム、電解液にリチウムの塩を溶解した有機化合物からなる。起電力は約4Vである。(原子量Li=6.94

問1下線部(a)の理由を45文字以内で答えよ。

問2下線部(b)→電池全体の化学反応式は以下のように示すことができる(充電後、全てのLiCoO2がCoO2に変化するわけではないが、ここでは全て変化すると仮定する)。放電時の正極と負極でおこる変化をそれぞれ電子eを含む反応式で示せ。

      放電

LiC6+CoO2 ⇄ C6+LiCoO2

      充電

問3 下表の結合エネルギーを参考として放電時の各電極での変化をまとめてリチウムイオン電池の全体反応を熱化学方程式で表せ。

 LiCoO2CoO2LiC6C6
結合エネルギー[kj/mol]2140156144824308

問4 リチウムイオン電池の起電力Vを有効数字3桁まで答えよ。ただし電池から取り出される電気エネルギーは移動する電子の電気量と起電力に比例する。単位については電気エネルギー(J)=電気量(C)×起電力(V).

問5 リチウムイオン電池の負極の質量が3.47g減少したときこの電池から取り出される電子の物質量を有効数字三桁で答えよ。

(解答および解説)

問1 

マンガン乾電池の負極活物質である亜鉛よりリチウムの方がイオン化傾向が大きいから。

問2

(正極)CoO2+Li+e→LiCoO2

(負極)Li→Li++e

リチウムイオン電池の負極活物質は黒鉛の層間にLiが挿入された物質。放電時にLiがLi+になり正極側に移動して取り込まれる。放電や充電によりLi+が負極と正極を行き来する。

問3

求める熱化学方程式は

LiC6+CoO2 = C6+LiCoO2+Q[kJ]

(反応熱)=(生成物の結合エネルギーの和)―(反応物の結合エネルギーの和)

Q=(2140+4308)―(1561+4482)=405[kJ]

問4 

電子1mol(9.65×104C)が移動して405kJの化学エネルギーが電気エネルギーに変わると考えると題意の式より

電気エネルギー(J)=電気量(C)×起電力(V)

起電力(V)=電気エネルギー(J)÷電気量(C)=4.20[V]

問5

リチウムイオン電池ではLi1mol(6.9g)が反応すると電子1molが取り出せる。

3.47÷6.94=0.500mol

問題7電気分解の問題(直列・並列)

電解槽AとBがある。 AとBの電解槽を図1と図2にようにつないで、電気分解の実験を行った。電解槽Bにはいずれも0.100mol/Lの硫酸銅(Ⅱ)水溶液100mLを入れて実験を始めた。この実験では0.500Aの電流を30分間通じた。図2の実験で電解槽Aの両極から発生した気体を完全に捕集したら、その体積は標準状態で44.8mLであった。

問1 図1の実験で回路全体を流れた電気量Cは何Cか。整数で求めよ。

問2 図1の実験で電気分解後の硫酸銅(Ⅱ)水溶液は何mol/Lになっているか。有効数字3桁で求めよ。

問3 図2の実験において電解槽Aに流れた電子の物質量を有効数字3桁で求めよ。

問4 図2の実験で電解槽Bの陰極に析出した銅は何gか。Cuの原子量は63.5, ファラデー定数96500C/molを用い有効数字3桁で求めよ。

(解答および解説)

問題8電気分解の問題(基礎)

白金電極を用いて薄い水酸化ナトリウム水溶液を電気分解した。9.65Aの電流を8分20秒流したとき、両極に生じる気体質量の総量は標準状態で何molか。ファラデー定数F=9.65×104[C/mol]とする。

(解答および解説)

-化学の巻↓, 理論化学(高校)

執筆者:


comment

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です

CAPTCHA


関連記事

金属とその化合物の性質を知ろう!

目次 アルカリ金属の性質ナトリウムについてアルカリ土類金属とマグネシウムの違い2族関連の押さえるべき物質達両性元素とは?アルミニウムについて亜鉛(化合物)についてスズおよび鉛(化合物)について遷移元素 …

共有結合について!共有結合とはいったい何か?

今回は共有結合について解説するにゃ。電子に注目するにゃ。 目次 共有結合とは?分子の種類とは?電子対、不対電子とは?共有電子対とは?分子の形とは?共有結合結晶とは?まとめ演習問題 ・共有結合とは?   …

理論化学(14)大学入試対策[酸・塩基、電離平衡]

目次 問題1滴定曲線の問題問題2pHの計算問題問題3炭酸ナトリウムの二段階中和の問題問題4酸化還元反応の反応式の問題問題5酸化還元反応の計算問題(1)問題6酸化還元反応の計算問題(2)問題7加水分解定 …

中和反応とは?(弱酸・弱塩の遊離、滴定など)!

今回は主に中和反応についてとりあげていくにゃ。酸と塩基の化学反応についての所で非常に重要な分野だにゃ。 目次 中和反応と塩の生成について塩の性質とは?弱酸の遊離、弱塩基の遊離とは?中和反応とその量的関 …

純物質、混合物、化合物、単体の分類に困っている人は必見!

今回は純物質、混合物、化合物、単体の違いについて整理するにゃ! 混合物と化合物が特に間違えやすいんだよな~~。 目次 純物質?化合物?単体?混合物?まとめ演習問題 ・物質の分類 純物質  二酸化炭素( …

 


nao(管理人)

こんにちは!このブログを運営するnaoです。現在某国立地方大学大学院修士2年生です。工学研究科に属していて主に化学を中心に学んでいます。このサイトでは化学と関わりのある内容および本の書評を投稿していきます。

所持資格↓

危険物取扱免状(甲種)、公害防止管理者水質第一種