質問: 水の電気分解の実験で、陽極に発生する気体は何でしょう?
回答: 酸素

タイトル: 電解法
水を電気分解すると酸素と水素が発生する。純水はほとんど電離しておらず電気を通さないため電解質として希硝酸または少量の水酸化ナトリウムが加えられる。この電気分解は教育現場における演示実験、生徒実験によく取り入れられている。

タイトル: 電気分解
液体に2つの電極を接触させて電極間に電圧をかけると、液体中の化学種と電極との間で電子の受け渡しが起こり化学反応が進行する。このとき、電源の正極に接続した陽極(アノード)では化学物質から電子が奪われて酸化が起こり、反対に負極に接続した陰極(カソード)では化学物質に電子が与えられて還元が起こる。この結果、元の化学物質が化学分解する場合を電気分解という。電気分解により気体が生じたり、金属陽イオンが還元されて陰極上に析出したりする。未反応の化学種が移動できるような系であれば電気分解が継続する。通常、分解したい化合物を含む電解質溶液や、高温にして融解させたイオン性物質の液体に電極を浸して電気分解を行う。後者の場合を特に溶融塩電解という。水蒸気電解のように固体電解質を用いて気体を電気分解することも行われる。電極間の電位差が十分に大きければ、様々な物質を電気分解できる。

タイトル: 電気分解
電気分解(でんきぶんかい、(英: electrolysis)は、化合物(化合物溶液)に電圧(二電極法の場合)または電位(三電極法の場合)をかけることで、陰極で還元反応、陽極で酸化反応を起こして化合物を化学分解する方法。もしくはその化学分解によって生成物を生成する方法。略して電解ともいう。同じ原理に基づき、電気化学的な酸化還元反応によって物質を合成する方法は電解合成と呼ばれ、特に生成物が高分子となる場合は電解重合という。塩素やアルミニウムなど様々な化学物質が電気分解によって生産されている。水の電気分解は初等教育の中でも取り上げられる典型的な化学実験であるとともに、エネルギー源として期待される水素の製造法として研究が進められている。

タイトル: オゾン
同様に固体高分子電解質膜を、白金を用いた陰極と二酸化鉛を用いた陽極で挟み、水を電気分解することでも陽極からオゾンが酸素との混合気体として生成される。

タイトル: 電解質
電解液に二本の電極を入れて電圧をかけると、電解液は電気を通す。通常、裸の電子は電解質を通ることはできないが、代わりに、陰極では陰極から電子を受け取る反応すなわち還元反応が、また陽極では陽極に電子を奪われる化学反応すなわち酸化反応が起こる。この結果、陰極の回りに負の電荷の雲が発達し、陽極の回りには正の電荷が蓄積する。電解液の中のイオンはこれらの電荷を中和するように移動し、反応が継続し電気が流れ続けるのである。例えば、食塩(塩化ナトリウム)の希薄水溶液においては、陰極の反応は次の通り。こうして、水素ガスが泡になって発生する。一方陽極での反応は次の通り。こうして、酸素および塩素が放出される。正の電荷を持つナトリウムイオンNaは陰極へ移動し、そこにあるOHの負の電荷を中和する。そして負の電荷を持つ塩化物イオンClは陽極へ移動し、そこにあるHの正の電荷を中和する。

タイトル: 固体酸化物形電解セル
固体酸化物型電解槽は、500~850°Cの高温電解を可能にする温度で作動する。この温度は、固体酸化物形燃料電池の運転条件とほぼ同じである。電気分解により水素と酸素のガスが発生する。電気分解反応を化学式で以下に示す。水の酸化は陽極(アノード)で、水の還元は陰極(カソード)で行われる。陽極: 2 O 2 − ⟶ O 2 + 4 e − {\displaystyle {\ce {2O^2- ->O2 + 4e-}}}陰極: H 2 O + 2 e − ⟶ H 2 + O 2 − {\displaystyle {\ce {H2O + 2 e- ->H2 + O^2-}}} (還元反応)全体: 2 H 2 O ⟶ 2 H 2 + O 2 {\displaystyle {\ce {2 H2O ->2 H2 + O2}}}298 K(25 °C)での水の電気分解には、1モルあたり285.

タイトル: 電解水
電解水(でんかいすい、英語: electrolyzed water)とは、水道水や食塩水などを電気分解することで得られる水溶液の総称である。

タイトル: 酸水素ガス
2:1 の正規組成の酸水素ガスは、水の電気分解で生成できる。これは電流によって水分子を次のように分解するものである。1800年、ウィリアム・ニコルソンが初めてこの方式で水を分解した。酸水素ガスを生成するのに要するエネルギーは、常にその燃焼によって得られるエネルギーよりも多い。

タイトル: 陽極酸化皮膜
電解質溶液中に金属を浸し、金属を陽極(正極)として通電すると、金属が酸化されて陽イオンとなって溶液中に溶解するか、表面で水の電気分解が起こり水素イオンと酸素ガスが発生する(いずれの場合でも、対極の陰極(負極)では水素イオンが還元されて水素ガスが発生する)。電解質および金属の種類によっては、陽極表面の酸化された金属が水の酸素と結合して酸化物として表面に残り、溶液中に水素イオンを放出する場合がある。金属を陽極として通電した場合に酸化物として残る場合を陽極酸化と呼ぶことがある。陽極酸化により表面に生じた酸化物の層を「陽極酸化皮膜」と言う。なお、金属イオンとして溶出する場合をアノード溶解と呼ぶことがある。

タイトル: 二酸化炭素の電気分解
人工光合成の技術を利用し、二酸化炭素と、水を光触媒と分離膜により分解して生じる水素との混合物を常温、常圧で電気分解して一酸化炭素を取り出すものである。この問題点としては、水に溶かしたわずかな量の二酸化炭素しか分解できないことが挙げられる。この問題を解決するため、固体高分子型の電解セルを用いることにより、二酸化炭素と水から一酸化炭素と水酸化物イオンを取り出す方法が考えられた。この反応では、従来より多量の一酸化炭素が生じ、一酸化炭素生成のファラデー効率は93パーセントとなる。二酸化炭素水溶液(炭酸水、これだけでは電流を通しにくいため炭酸水素カリウムなども溶かす)に白金などの水素過電圧の小さい物質を電極に用いると、先に水素が発生してしまい、二酸化炭素をうまく還元できない。そこで、インジウム(In)、鉛(Pb)、水銀(Hg)、スズ(Sn)等を電極に用いると、主にギ酸が発生する。

タイトル: イオン交換膜法
陽極室(アノード側)は塩化ナトリウムの飽和水溶液で満たされ、電気分解により塩素ガスが発生する。ナトリウムイオンは水を伴って陽イオン交換膜を透過し陰極室(カソード側)へ移動するが、塩化物イオンは透過しない。塩素が発生し、濃度が低くなった溶液は塩化ナトリウムを加えて再利用される。発生した塩素ガスは洗浄、脱水され製品となる。陰極室(カソード側)は純水で満たされ電気分解により水素が発生し、ナトリウムが陽イオン交換膜を透過してくることにより水酸化ナトリウム水溶液となる。生成した水素ガスと水酸化ナトリウムは排出される。陰極室では陽イオン交換膜に最適な32wt%の濃度を維持するため常時純水が供給される。全体の反応式は次のようになる。

タイトル: 電極
高校化学では、電池の場合「正極・負極」、電気分解の場合「陽極・陰極」と呼んでいる。

タイトル: 白金ナノ粒子
電気化学の教科書的な理解によると、様々な金属を使って水の電気分解による水素発生が調査されているが、白金は最も大きな反応速度を示す。電気分解によって目に見えるほど溶解する鉛や鉄と違い、腐食や溶解は起こらないとされる。電極表面の白金原子Ptは水素原子Hと結合し、水素原子と白金原子が結合しているPt-Hとなる。これは水素原子と水素原子が結合しやすい環境である、結合した場合、水素分子H2となり水素ガスが発生する。白金電極を持つバッチ式の電解装置で60分間電気分解した超純水を、分光器で測定したところ0.2ppbの白金ナノ粒子が含まれていた。微量には溶出するとされる。

タイトル: 電気分解
電気分解では、電気を流すための電極、電圧を印加するための直流電源、電気分解する物質を入れる電解槽(もしくは電解セル)が必要となる。電極のうち、電源の負極と接続するものを陰極(カソード)、正極と接続するものを陽極(アノード)と呼ぶ。電極の材質は電気分解の生成物や過電圧に大きな影響を与える。工業的には安価で安定な炭素電極が、実験用には炭素の他に腐食されにくい白金や金などの貴金属電極がよく使われる。用途によってはガス拡散電極が使われることもある。有意な反応速度を得るためや、選択的な反応を起こすため電極触媒が必要となることもある。電気分解に必要な電源電圧は、目的物質の標準電極電位やネルンストの式、プールベダイアグラムなどから計算される理論電解電圧に、過電圧や液体の電気抵抗(溶液抵抗)を加えた値となる。反応の種類にもよるが、一般的な反応では 10 ボルト以下の電圧で十分に進行する。

タイトル: 水の性質
密度の違う2つの状態が存在し、それぞれ、高密度アモルファス氷、低密度アモルファス氷という。水は比熱容量が非常に大きい。反磁性の性質を示す代表的な物質でもあり、強力な磁石を近づけると水が反発して逃れるように動く現象は、旧約聖書の逸話にちなみ「モーゼ効果」と呼ばれている(俗称ではなく正式な学術用語)。また、水分子の回転のエネルギー準位がマイクロ波のエネルギーに対応するので、液体の水はマイクロ波を吸収しやすく、電子レンジはそれを利用して加熱をしている。液体の状態では 10 mol/L (at 25 °C) が電離し、水素イオン(正確にはオキソニウムイオン)と水酸化物イオンとなっている。一般的に水は電気絶縁性が低いといわれるが、これはイオンなどの不純物が含まれる場合の水の性質である。純粋な水は電気(電流)をほとんど通さない絶縁体である。

タイトル: 二重標識水
6 O2 + 24 H + 24 e → 12 H2Oミトコンドリアの電子伝達系により水が生成され、同時にエネルギー(ATP)が生じる。生成される水に含まれる酸素原子は元々は空気中にあったものである。

タイトル: 水上置換
この方法で集められる気体としては、一酸化窒素・一酸化炭素・水素(上方置換でも集められるが、引火性があるため基本的に水上置換が用いられる)・酸素・窒素などが挙げられる。二酸化炭素は下方置換で集められるが、水に対する溶解度が低いため中学生レベルの実験では水上置換を用いることもある。有機性の気体はほとんど水に溶けにくいため水上置換で集められることが多い。

タイトル: 電解質
電解質の特性は、その溶液中に含まれる元素や化合物を電気分解を使って抽出することで知ることができる。

タイトル: 蒸発熱
水に濡れた食器や衣服は、乾燥機を使わなくても自然に乾くからである。乾燥機を使ったときのエネルギー源は、先の例と同じように電気エネルギーである。それに対して、自然に水が蒸発して乾くときのエネルギー源は、食器や衣服、そして周りの空気である。食器や衣服や空気のエネルギーが熱として水に与えられ、このエネルギーにより水が水蒸気に変化する。液体が蒸発するときに周りから熱を吸収することは、以下の実験により確認できる。この実験の観察1では温度計の感温部からエネルギーが熱として放出されている。というのは、温度計の表示温度は、感温部が熱を吸収すると上昇し、逆に感温部が熱を放出すると低下するものだからである。感温部の周りの空気の温度は、アルコールをたらす前の感温部の温度とほぼ同じと考えられるので、感温部から熱を受け取っているのはアルコールである。

タイトル: K中間子水素
K中間子水素(Kちゅうかんしすいそ、英: kaonic hydrogen)は、負の電荷を持ったK中間子と陽子が束縛されたエキゾチック原子である。水素原子の電子と陽子は、電磁相互作用(クーロン力)のみで束縛されている。一方、K中間子と陽子の束縛状態の場合、2つの粒子はハドロンであるから、クーロン力による引力だけでなく、強い相互作用の影響も受けることになる。このため、K中間子水素に関する実験は強い相互作用の性質を知るために重要である。実験において、K中間子水素は粒子加速器によって生成したK中間子を水素標的中で静止させることで作られる。生成したK中間子水素は励起状態であり、これが脱励起して基底状態へ落ちる際に放出されるX線を観測することで、強い相互作用の影響によるエネルギー準位のずれやその崩壊幅を測定することができる。

タイトル: 陽電子放出
陽電子放出(ようでんしほうしゅつ、英: positron emission)、または正のβ崩壊(せいのベータほうかい、英: beta plus decay)とは、ベータ崩壊の一種。この過程において、陽子は弱い力を通して中性子、陽電子、ニュートリノに転換される。陽電子はベータプラス粒子として知られている電子の反粒子である。このため、この放出過程は時にベータプラス (β+) として言及される。この崩壊を行い、それに伴って陽電子を放出する同位体には炭素11、カリウム40、窒素13、酸素15、フッ素18、ヨウ素121などが挙げられる。例として、炭素11からホウ素11への崩壊が上げられ、下記の式のように表すことができる。これらの同位体は陽電子断層法(PET検査)に使われ、この手法は医用画像処理に使われている。特徴的であるのは放たれるエネルギーが崩壊する同位体に依存していることである。

タイトル: 電気化学センサ
溶液中のイオンや溶存物質の定量・定性分析を簡便に行える手法として溶液などの電解質に含まれるイオンが参照電極との間で電圧を生じるのでそれを利用して検出する。 一例として一酸化炭素などの還元性の検知対象ガスが存在すると検知極では触媒上で空気中の水蒸気と以下の反応式で示される反応が発生する。CO + H2O → CO2+ 2H+ + 2e- ...(1)検知極と対極を電気的に接続(短絡)すると検知極で発生したプロトン(H+)はイオン伝導体を介して、同時に発生した電子(e-)は外部の電線(リード)を介して、それぞれ対極に到達して対極上で空気中の酸素との間で以下の反応式で示される反応が発生する。O2 + 2H+ + 2e- → H2O ...(2)つまりこのセンサはガスを活物質とする電池と見なすことができる。CO + (1/2)O2 → CO2 ...(3)

タイトル: 真空
このような現象は水だけに限らずアルコールや石油など全てのものに当てはまる。これは、沸騰が「液体分子が持つ運動エネルギーが周囲の圧力(分子衝突のエネルギー)を上回って液体分子が空間中に放出される現象」であるためである。このときの分子の運動エネルギーは圧力として観測されるが、ある温度において沸騰が始まる(「液体分子の運動エネルギー=周囲の圧力」となる)圧力を蒸気圧といい、物質により固有の値を取る。一方、固体から液体に変わる融点は気化ほど周囲圧力の影響を受けない。大気は紫外線、可視光線、赤外線に対して透明だが、およそ185 nm以下の波長に対しては不透明になる。これは空気中の酸素分子が波長240 nm以下の紫外線を吸収することや、窒素分子が185 nm以下の紫外線を吸収することによる。よって紫外線の実験などを行う場合には空気を排気した真空チャンバー(10 Pa以下)で行わなければならない。

タイトル: 電解質
電解質(でんかいしつ、英語: electrolyte)とは溶媒中に溶解した際に、陽イオンと陰イオンに電離する物質のことである。これに対し、溶媒中に溶解しても電離しない物質を非電解質という。一般に電解液は電気分解が起こる以上の電圧をかければ電気伝導性を示すが、電解液でないものは電気抵抗が大きい。また、ほとんど溶媒中に溶解しないものは電解質にも非電解質にも含まれない。 溶融した電解質や固体の電解質というものも存在する。 つまり、物質を水に溶かしたとき、イオンになるものとならないものがあり、電気を通す物質はイオンになるものである。これを電解質という。電解質溶液は十分に高い電圧(一般に数ボルト程度)をかけると電気分解することが可能である。「電解質」という名称はこのことから付けられた。電気分解を起こすことのできる理論分解電圧 V ′ はギブス自由エネルギー変化と以下の関係にある。

タイトル: 水クラスター
バルク水中の超分子構造についての実験的な研究は、水の構造の寿命が短いため困難である。しかし測定技術や計算能力の進歩により動的な性質を研究対象とすることも可能となってきた。水クラスターは気相中、つまり周囲が真空の環境において実在し、単離して観測することができる。水クラスターの構造決定には以下のような高度な方法が用いられる。遠赤外振動-回転-トンネル分光法 (far-infrared (FIR) vibration-rotation-tunneling (VRT) spectroscopy) 、H-NMR、中性子回折法。液体ヘリウムをマトリクスとして捕捉された水の六量体は、平面環状の集合体であった。一方で、気相で観測された六量体はかご型をとり、有機化合物の結晶格子中の空間に捕捉された六量体はシクロヘキサンが見せるようないす型をとっていた。

タイトル: 水素化ヘリウムイオン
水素化ヘリウムイオン(すいそかヘリウムイオン、英: helium hydride ion)、別名ヒドリドヘリウム(1+)イオンは、気相においてヘリウムと陽子の反応によって生じるカチオンである。化学式は HeH + {\displaystyle {\ce {HeH^+}}} で、1925年に初めて観察された。プロトン親和力は117.8 kJ/molで、既知の酸の中で最強である。天然には星間物質中に存在し、成層圏赤外線天文台の観測により2019年に検出された。

タイトル: 水素水
1671年にはロバート・ボイルによって、水素ガス(水ではない)が生成され、水素はガスであると認識され、生理的に不活性なガスだと考えられ、1975年に水素ガスによる研究が報告されたが注目されなかった。1997年に、白畑實隆らは電気分解した水(電解還元水)を使った実験を行い、活性酸素種によるDNA損傷を抑制することを報告し、その作用は活性水素と呼ばれる水素原子によってもたらされていることを示唆しているとの仮説を、Biochemical and Biophysical Research Communicationsにて報告した。2000年にも白畑は、そうした作用を起こす原因が「活性水素であろうと推定」し、その検出法の開発に取り組んでいることを記している。

タイトル: 凝縮
乾湿計は、空気中の水分蒸発を介して様々な大気圧と温度での凝縮速度を測定する。水とは水蒸気の凝縮による産物であり、凝縮とはこうした相転移のプロセスである。