電験三種 学習ノート

はじめに

電気で、物質そのものを作り変えられるのだろうか

電池・バッテリー・めっき・アルミ缶も電気と化学から

電気分解と電池は、向きが逆なだけの同じしくみ

主役はファラデーの法則。電気の量から物質の量へ

電気分解と法則、電池、電気を使った加工を学ぶ

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「電気で、物質そのものを作り変えられるって本当……？」

前回の記事では、熱量と熱回路、いろいろな電気加熱とヒートポンプを学びました。電気を熱に変える使い方でした。今回は、電気と化学反応の関係を見ていきます。

身の回りには、電気と化学が手を組んだものがたくさんあります。スマホやノートパソコンの電池、自動車のバッテリー、金色や銀色に光るアクセサリーのめっき、アルミ缶のアルミニウム。どれも、電気と化学反応のやりとりで生まれています。

実は、この2つは向きが逆なだけの同じしくみです。電気を流して化学反応を起こすのが電気分解で、化学反応から電気を取り出すのが電池です。充電できる電池は、この2つを行ったり来たりしています。

そこで登場するのが、今回の主役 ファラデーの電気分解の法則 です。流した電気の量から、生まれる物質の量をぴたりと計算できる法則です。

今回の記事では、電気分解とファラデーの法則、一次電池と二次電池、そして電気めっきと放電加工という電気を使った加工について解説します。

電気分解とファラデーの法則

直流を流すと電極で反応が起きる。＋側が陽極

陰極では電子を受け取る還元、陽極では酸化

水の電気分解では、水素と酸素が2対1で出る

かせいソーダや塩素、金属の精錬に使われる

出てくる物質の量は、流した電気量に比例する

銅イオンは電子2個で銅1個。電子2倍で銅も2倍

電子1molの電気量がファラデー定数96500C/mol

電気量から電子のmol、物質のmol、質量へ進む

10Aを1時間流すと、銅は約11.8g出てくる

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はじめに、電気分解とファラデーの法則について紹介します。

1. 電気分解

水溶液や溶けた物質に2本の電極を入れて直流を流すと、電極の表面で化学反応が起きます。これを 電気分解 と呼びます。電源のプラス側につないだ電極を 陽極、マイナス側につないだ電極を 陰極 と呼びます。

陰極では、電源から送られてきた電子を物質が受け取ります。陽極では、物質が電子を手放します。電子を受け取る反応を還元、手放す反応を酸化と呼びます。

例えば、水を電気分解すると、陰極から水素、陽極から酸素が出てきます。体積の比は、水素 2 に対して酸素 1 です。電気分解は、工業でも大活躍しています。食塩水の電気分解でかせいソーダや塩素を作ったり、アルミニウムや銅を取り出して純度を上げたりするのに使われます。

2. ファラデーの電気分解の法則

電気分解で電極に出てくる物質の量は、流した電気の量で決まります。これを ファラデーの電気分解の法則 と呼びます。中身は次の2つです。

【ファラデーの電気分解の法則】

1. 電極に出てくる物質の量は、流した電気量に比例する
2. 同じ電気量で出てくる物質の量は、その物質の「原子量 ÷ イオンの価数」に比例する

なぜ電気量に比例するのでしょうか？ 銅のイオン $\text{Cu}^{2+}$ は、電子を2個受け取ると銅の原子1個になります。電子を2倍流せば、銅も2倍出てきます。電子は銅を作る材料のようなものなので、材料の数が決まれば、できる量も決まるのです。

電子 1mol（約 $6.02 \times 10^{23}$ 個）が運ぶ電気量を ファラデー定数 と呼び、$F \fallingdotseq 96500$ C/mol です。これを使うと、出てくる物質の質量は次の式で求まります。

$$m = \frac{1}{F} \cdot \frac{M}{n} \cdot I t$$

記号の意味は、$m$ が出てくる物質の質量［g］、$M$ が原子量（1mol あたりの質量）［g/mol］、$n$ がイオンの価数、$I$ が電流［A］、$t$ が時間［s］です。言葉で言うと、「流した電気量 $It$ を $F$ で割ると電子の物質量になり、それを価数で割ると物質の物質量になる。それに原子量を掛ければ質量になる」です。

例題：銅の電気分解

硫酸銅の水溶液に 10A の電流を1時間流しました。陰極に出てくる銅は約何gでしょうか？ ただし、銅の原子量を 63.5、銅イオンを $\text{Cu}^{2+}$、ファラデー定数を 96500C/mol とします。

【解き方】

1. 時間を秒に直す： 1時間 = 3600 秒
2. 電気量を求める： $Q = 10 \times 3600 = 36000$ C
3. 電子の物質量を求める： $36000 \div 96500 \fallingdotseq 0.373$ mol
4. 銅の物質量を求める（価数 2 で割る）： $0.373 \div 2 \fallingdotseq 0.1865$ mol
5. 質量を求める： $0.1865 \times 63.5 \fallingdotseq 11.8$ g

答えは約 11.8g です。価数で割るのを忘れると、2倍の 23.7g になってしまいます。

試験のポイント：電気分解の計算は「電気量 → 電子の mol → 物質の mol → 質量」の順に進めます。時間を秒に直すことと、価数で割ることを忘れないようにしましょう。

このように、電気分解では電極の表面で酸化と還元が起き、出てくる物質の量はファラデーの法則で電気量から計算できます。

以上が、電気分解とファラデーの法則についてです。

電池：一次電池と二次電池

電子は負極から外の回路を通り正極へ。電流は逆

電池は水をためたタンク。高さが電圧、量が容量

60Ahから5Aで約12時間。12Vなら720Wh

一次電池は使い切り、二次電池は充電して何度も

鉛蓄電池は二酸化鉛・鉛・希硫酸。1セル約2V

放電で硫酸が減り、電解液の比重が小さくなる

12Vのバッテリーは、2Vのセル6個の直列

リチウムイオンが正極と負極の間を行き来する

一次電池と二次電池の例と、1セルの電圧

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次に、電池について紹介します。

1. 電池のしくみ

電池は、化学反応のエネルギーを電気のエネルギーに変える装置です。電気分解と逆向きの反応です。電池の中では、負極で物質が電子を手放し、その電子が外の回路を通って正極へ流れ、正極で物質が電子を受け取ります。電流の向きは電子と逆なので、外の回路では正極から負極へ流れます。

水にたとえると、電池は高い所にくみ上げた水をためたタンクです。化学反応の力で水（電荷）を高い所に持ち上げておき、外の回路でそれを流して仕事をさせます。タンクの高さが電池の電圧、ためた水の量が電池の容量です。

電池の容量は、何Aの電流を何時間流せるかで表します。単位は アンペア時［Ah］ です。例えば、容量 60Ah の電池から 5A を取り出すと、およそ $60 \div 5 = 12$ 時間使えます。電圧が 12V なら、ためられる電力量は $12 \times 60 = 720$ Wh です。

2. 一次電池と二次電池

電池は、使い切りか、充電して何度も使えるかで2つに分かれます。

一次電池 は、放電すると元に戻せない、使い切りの電池です。リモコンや時計に使うマンガン乾電池やアルカリ乾電池がこれにあたります。電圧は 1 本あたり約 1.5V です。

二次電池 は、外から電気を流して充電すると、元の状態に戻せる電池です。蓄電池とも呼びます。放電のときは電池として、充電のときは電気分解として、同じ反応を行ったり来たりします。自動車のバッテリーやスマホの電池が二次電池です。

3. 鉛蓄電池

鉛蓄電池 は、古くから使われている代表的な二次電池です。自動車のバッテリーや、変電所・ビルの非常用電源に使われます。

【鉛蓄電池のつくり】

• 正極： 二酸化鉛（$\text{PbO}_2$）
• 負極： 鉛（$\text{Pb}$）
• 電解液： 希硫酸（$\text{H}_2\text{SO}_4$）
• 1セルの公称電圧： 約 2V

放電すると、正極も負極も硫酸鉛（$\text{PbSO}_4$）に変わり、電解液の硫酸は使われて水ができます。

$$\text{PbO}_2 + \text{Pb} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \rightleftarrows 2\text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$

右向きが放電、左向きが充電です。放電が進むと硫酸が減って水が増えるので、電解液は薄くなり、比重が小さくなります。そのため、電解液の比重を測れば、充電の具合が分かります。12V のバッテリーは、2V のセルを6個直列につないだものです。

4. リチウムイオン電池

リチウムイオン電池 は、スマホやノートパソコン、電気自動車に使われている二次電池です。正極にリチウムを含む金属酸化物、負極に黒鉛などの炭素材料を使い、電解液には水ではなく有機溶媒を使います。

充電するとリチウムイオンが正極から負極へ移り、放電すると負極から正極へ戻ります。リチウムイオンが2つの電極の間を、シーソーのように行ったり来たりするイメージです。

1セルの電圧は約 3.6〜3.7V と高く、小さく軽い割にたくさんの電気をためられます。一方で、充電しすぎや傷によって発熱するおそれがあるため、電圧や温度を見張る保護回路と組み合わせて使います。

【電池のまとめ】

• 一次電池： 使い切り。マンガン乾電池、アルカリ乾電池
• 二次電池： 充電して何度も使える。鉛蓄電池（約 2V）、ニッケル水素電池（約 1.2V）、リチウムイオン電池（約 3.6〜3.7V）

試験のポイント：鉛蓄電池は放電すると両極が硫酸鉛になり、電解液の比重が下がります。正極が二酸化鉛、負極が鉛という組み合わせも問われます。

このように、電池は化学反応から電気を取り出す装置で、使い切りの一次電池と、充電して繰り返し使える二次電池に分かれます。

以上が、電池についてです。

電気めっきと放電加工：電気で形を整える

めっきしたい物を陰極に、付けたい金属を陽極に

陽極の金属が溶け、陰極の表面に積もっていく

さび止めや見た目に。端子の金めっき、ねじの亜鉛

2Aを9650秒で電子0.2mol、銅は6.35g

体積0.713cm³を100cm²に広げると、厚さ約71μm

加工液の中で放電を繰り返し、熱で工作物を溶かす

小さな雷で岩を削るように、硬さに関係なく削る

細いワイヤを電極にして、糸のこぎりのように切る

工作物は導体に限る。ガラスやセラミックスは不可

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最後に、電気めっきと放電加工について紹介します。

電気と化学の力は、物の表面を仕上げたり、硬い金属を削ったりする「加工」にも使われます。1つずつ見ていきましょう。

1. 電気めっき

電気めっき は、電気分解を使って、物の表面に金属の薄い膜を付ける方法です。めっきしたい物を陰極にし、付けたい金属を陽極にして、その金属のイオンを含む水溶液に入れて電流を流します。

陰極では、液の中の金属イオンが電子を受け取って金属になり、物の表面に薄く積もっていきます。陽極の金属は溶けてイオンになり、液に補われます。陽極から陰極へ、金属が少しずつ引っ越していくイメージです。

さびを防いだり、見た目を美しくしたり、電気の通りをよくしたりするのに使われます。電子部品の端子の金めっきや、ねじの亜鉛めっきが身近な例です。付く金属の量は、電気分解と同じくファラデーの法則で計算できます。

例題：銅めっきの厚さ

面積 100cm² の金属板に、2A の電流を 9650 秒流して銅めっきをします。付く銅の厚さは約何μm でしょうか？ ただし、銅の原子量を 63.5、価数を 2、密度を 8.9g/cm³、ファラデー定数を 96500C/mol とし、銅は板の片面に均一に付くものとします。

【解き方】

1. 電気量を求める： $Q = 2 \times 9650 = 19300$ C
2. 電子の物質量： $19300 \div 96500 = 0.2$ mol
3. 銅の質量： $0.2 \div 2 \times 63.5 = 6.35$ g
4. 体積を求める： $6.35 \div 8.9 \fallingdotseq 0.713$ cm³
5. 厚さを求める： $0.713 \div 100 \fallingdotseq 0.00713$ cm $\fallingdotseq 71$ μm

答えは約 71μm です。1cm = 10000μm なので、0.00713cm は約 71μm です。単位の換算に気をつけましょう。

2. 放電加工

放電加工 は、電気の火花で金属を少しずつ溶かして削る方法です。工具の電極と工作物を、灯油や水のような電気を通しにくい加工液の中で、わずかなすき間をあけて向かい合わせます。そこに短いパルスの電圧をかけると、すき間で放電が起き、その熱で工作物の表面が小さく溶けて飛び散ります。これを1秒間に何万回も繰り返して、電極の形を工作物に写し取っていきます。

たとえるなら、ごく小さな雷を何度も落として、岩を少しずつ削るようなものです。刃物で削るのとちがい、熱で溶かすので、工作物の硬さに関係なく加工できます。焼入れした硬い鋼や超硬合金で金型を作るのに、欠かせない方法です。細いワイヤを電極にして、糸のこぎりのように切り抜く方法もあります。

ただし、放電で電流を流すので、工作物は電気を通す導体でなければなりません。ガラスやセラミックスのような絶縁物は、放電加工できません。

補足（ここは読み飛ばしてOK）： 似た名前の加工に、電解加工があります。工作物を陽極にして電解液の中で電流を流し、電気分解で工作物を溶かして形を作る方法です。放電加工が「火花の熱」で削るのに対して、電解加工は「化学反応」で溶かします。

このように、電気めっきは電気分解で表面に金属を付ける加工で、放電加工は火花の熱で硬い導体を削る加工です。

以上が、電気めっきと放電加工についてです。

今回のまとめ

電気分解では、陰極で還元、陽極で酸化が起きる

電気量から電子のmol、物質のmol、質量を求める

鉛蓄電池は約2V、リチウムイオン電池は約3.6V〜

めっきは物を陰極に、放電加工は火花の熱で削る

キーワードは電気分解・ファラデーの法則など

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、電気と化学反応の関係について紹介しました。電気を流して反応を起こすのが電気分解、反応から電気を取り出すのが電池です。電気分解で出てくる物質の量はファラデーの法則で計算でき、同じしくみがめっきにも使われます。放電加工は、火花の熱で硬い金属を削ります。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• 電気分解では、陰極で還元、陽極で酸化が起きる。
• ファラデーの法則は $m = \dfrac{1}{F} \cdot \dfrac{M}{n} \cdot It$。電気量 → 電子の mol → 物質の mol → 質量の順に計算する。
• 一次電池は使い切り、二次電池は充電できる。鉛蓄電池は約 2V、リチウムイオン電池は約 3.6〜3.7V。
• 電気めっきは物を陰極にして金属を付け、放電加工は火花の熱で導体を削る。

キーワードのおさらい

• 電気分解: 直流を流して、電極の表面で化学反応を起こすこと
• ファラデーの電気分解の法則: 出てくる物質の量が、電気量と「原子量 ÷ 価数」に比例するという法則
• 一次電池: 放電すると元に戻せない、使い切りの電池
• 二次電池: 充電すると元に戻せて、繰り返し使える電池
• 鉛蓄電池: 正極に二酸化鉛、負極に鉛、電解液に希硫酸を使う二次電池。1セル約 2V
• リチウムイオン電池: リチウムイオンが正極と負極の間を移動して充放電する二次電池。1セル約 3.6〜3.7V
• 電気めっき: 電気分解で、物の表面に金属の膜を付ける加工
• 放電加工: 加工液の中で放電を繰り返し、その熱で導体の工作物を削る加工

以上が、今回のまとめです。

さて、ここまでは電気の「使い道」を見てきました。ところで、エアコンが設定した温度を保ったり、エレベーターが決まった階にぴたりと止まったりできるのは、なぜでしょうか？

次回は、フィードバック制御のしくみと、伝達関数・ブロック線図を学ぶ「自動制御の基礎」について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。