硫酸銅電解液の電解原理

電解

電解は、イオン化された溶液（電解質）の中で電流が一方の電極から他方の電極へと流れることを指す電気化学的過程です。この過程では、正イオンまたはカチオンが負の電極またはカソードに、負イオンまたはアニオンが正の電極またはアノードに向かって移動します。

電解の原理を理解する前に、電解質とは何か、または電解質の定義を知る必要があります。

電解質の定義

電解質とは、その原子がイオン結合によって強く結合している化学物質のことですが、これを水に溶解すると、その分子は陽イオンと陰イオンに分裂します。陽イオンはカチオンと呼ばれ、陰イオンはアニオンと呼ばれます。両方のカチオンとアニオンは溶液中で自由に動き回ります。

電解の原理

イオン結合において、ある原子は価電子を失い、別の原子は電子を得ます。その結果、一方の原子は正イオンとなり、もう一方の原子は負イオンとなります。反対の電荷により、両者は互いに引き寄せられ、イオン結合という結合を形成します。イオン結合では、イオン間に働く力はクーロン力であり、これは媒質の誘電率に逆比例します。水の相対誘電率は20oCで80です。したがって、イオン結合を持つ化学物質を水に溶解すると、イオン間の結合強度が非常に弱くなり、その分子はカチオンとアニオンに分裂して溶液中に自由に動き回ります。

次に、溶液に2本の金属棒を浸し、それらの棒間に電位差をバッテリーによって外部から適用します。

これらの部分的に浸された棒は技術的には電極と呼ばれています。バッテリーの負極に接続された電極はカソードと呼ばれ、バッテリーの正極に接続された電極はアノードと呼ばれます。自由に動く正のカチオンはカソードに引き寄せられ、負のアニオンはアノードに引き寄せられます。カソードでは、正のカチオンは負のカソードから電子を取り、アノードでは負のアニオンは正のアノードに電子を与えます。カソードとアノードで継続的に電子を取り、与えるためには、電解装置の外部回路に電子の流れが必要です。つまり、電流はバッテリー、電解装置、および電極によって作られる閉ループを回り続けます。これが最も基本的な電解の原理です。

硫酸銅の電解

硫酸銅またはCuSO4を水に加えると、それは水に溶けます。CuSO4は電解質であるため、Cu+ +（カチオン）とSO4 − −（アニオン）イオンに分裂し、溶液中に自由に動き回ります。

次に、その溶液に2つの銅電極を浸します。

Cu+ +イオン（カチオン）はカソード、つまりバッテリーの負極に接続された電極に引き寄せられます。カソードに到達すると、各Cu+ +イオンはそこから電子を取り、中性の銅原子になります。

同様に、SO4 − −（アニオン）イオンはアノード、つまりバッテリーの正極に接続された電極に引き寄せられます。そのため、SO4 − −イオンはアノードに向かい、そこで2つの電子を放出し、SO4ラジカルになります。

しかし、SO4ラジカルは電気的に中性の状態では存在できないため、銅アノードに攻撃し、硫酸銅を形成します。

上記の過程では、電子を取り込んだ中性の銅原子がカソードに堆積します。同時に、SO4は銅アノードと反応してCuSO4になりますが、水中では単独の分子として存在することはなく、CuSO4はCu+ +、SO4 − −に分裂し、水に溶解します。したがって、硫酸銅の電解において、銅電極を使用すると、銅はカソードに堆積し、同じ量の銅がアノードから取り除かれます。もし硫酸銅の電解で、銅電極や他の金属電極の代わりに炭素電極を使用すると、電解反応は少し異なります。実際、SO4は炭素と反応せず、この場合SO4は溶液中の水と反応して硫酸を生成し、酸素を放出します。