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: 陽子
陽子は1918年にアーネスト・ラザフォードによって発見された。アルファ粒子を窒素ガスに打ち込むと、水素の原子核固有の反応が検出された。窒素ガスは密閉状態にあるため、水素は窒素から分離されたに違いなく、水素の原子核は窒素に含まれていると推測した。これから、当時水素の原子核は電荷が1でありそれ以上分割することができないとされていたため、最も基本的な物質の構成要素であると結論付けた。ラザフォードはこの物質をギリシャ語の最初を表すプロトス(protos)からプロトン(proton、英語発音: [ˈproutɑn])と名づけた。

タイトル: 電気分解
溶液抵抗を低減させるため、反応性の低い電解質(支持電解質)が一般に加えられる。溶媒や支持電解質の種類によって電気分解の生成物が異なる場合がある。溶融塩電解では化合物に融剤として他の物質(試薬)を混ぜる場合がある。ホール・エルー法では酸化アルミニウムの融点を下げるために氷晶石とフッ化ナトリウムが加えられる。なお、溶液系や溶融塩系による電解液による電気分解のほかに、水蒸気電解のように固体電解質を利用して気体を電気分解する方法がある。

タイトル: 水の性質
これを利用して、超純水の純度測定に電気伝導度を用いることがある。

タイトル: スタンリー・メイヤーの水燃料電池
水燃料電池は、水をその構成元素である水素と酸素に分解するとされており、次に水素ガスを燃焼させる事でエネルギーを生成した。これは水分子を再構成するプロセスである。メイヤーの主張では、水燃料電池は電気分解を実行する為に必要なエネルギーが、従来の科学により予測又は測定された最小エネルギー要件より小さくて済むとされており、作用機序は液体としての水と同じ2:1の比率で混合された酸水素ガスである「ブラウン・ガス」に関係しているとされていた。ブラウン・ガスは周囲の空気(窒素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、クロロフルオロカーボン、フリーラジカル、電子、放射線など)と混合され、得られた水素ガスを燃料させてエネルギーを生成し、水が分解された装置とは別の装置で水分子が再構成された。

タイトル: 水素
このほか、イオン結合を主とする錯体水素化物や、アンモニアボランなども水素吸蔵性能を持つ物質として研究されている。自然エネルギーからの電気(太陽光発電や人工光合成)によって水の電気分解から水素を生成してエネルギー媒体として貯蔵し、燃料電池を使って発電し電気を取り出すというエネルギーの循環構想がある。一見、理想的で無駄のないサイクルに思えるが、電気分解から燃料電池による発電までの工程ではニッケル水素電池やリチウムイオン充電池と比較して効率が大幅に低い。高分子固体電解質を利用した電気分解の工程では分解時に両極でガスが発生するが、これが連続した反応を阻害する一因となる。また、燃料電池での発電工程でも同様に燃料電池のガス拡散電極の特性上、電流密度を上げるためにはスタックを重ねなければならず、取り出す電流を2倍にしようとすれば電極の面積も2倍にしなければならず、単位容積ごとの効率が低い。

タイトル: 水素水
水素水の生成は、水素ガスの溶解や、水の電気分解によって容易に調整できる。また、マグネシウムと水の化学反応でも生成できる。洗浄用水素水の製造法のひとつとして、水は通過しないがガスは通り抜ける高性能の中空糸状の気体透過膜を内蔵したモジュールによる方法がある。これは、高純度の水素水を安全かつクリーンに経済的に製造することを目的としたものである。アルカリ電解水を生成する過程で水中に水素が過飽和に溶解しており、一部はコロイド状の微小の水素気泡となって存在し、微小の水素気泡は1日放置後にも安定して存在する。アルカリ電解水に溶存する水素濃度が増加するにつれて、酸化還元電位は低くなる。パナソニックでは、飲用アルカリ性電解水は安定したpHの生成が主眼に置かれていたが、後に溶存水素量にも着目され研究開発が進んできた。

タイトル: 大気電気学
電離層は磁気圏の内側境界であり、太陽放射によりイオン化される大気の一部である(光イオン化は、光子が原子、イオン、分子に入射する物理過程であり、1つ以上の電子が放出される)。地球、および地球上のほぼすべての生物は宇宙空間からの放射線を絶えず浴びている。この放射は主に陽子から鉄までの正に帯電したイオンと太陽系の外からの大きな核由来のイオンで構成されている。この放射線は大気中の原子と相互作用して、X線、ミュー粒子、陽子、アルファ粒子、パイ中間子、電子などの二次電離放射線の空気シャワーを生成する。この二次放射からの電離により、大気の導電性が弱くなりこれらのイオンから地表を流れるわずかな電流が雷雨からの電流の平衡をすることが保証される。イオンには高度により変化する移動度、寿命、生成速度など特異のパラメータがある。

タイトル: ガスセンサ
電解質にアルカリ水溶液を使用している場合、空気中の二酸化炭素と反応して徐々に劣化する。固体電解質や高分子固体電解質を使用している場合にはこのような問題は起こらない。希ガスのように酸化性や還元性のない電極表面でイオン化できない電気的に中性の物質は電気化学的な手法では検出できず、この手法で検出できるのはあくまでも酸化や還元によって電極間に生じた電位差なので物質の分子構造や分子の識別はセンサ単体ではできない。

タイトル: 固体酸化物形電解セル
固体酸化物形電解セル(こたいさんかぶつがたでんかいセル、英: Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC)とは、高温の固体電解質を用いた水の電気分解装置。非常に高温かつ高効率で作動する。

タイトル: 陽極酸化皮膜
陽極酸化皮膜(ようきょくさんかひまく)とは、金属を陽極として電解質溶液中で通電した時に金属表面に生じる酸化皮膜。

タイトル: 液体空気
液体空気(えきたいくうき)とは、空気を低温にして得られる液体。法規上では液化空気と呼ぶ。

タイトル: 作用電極
作用電極(さようでんきょく、英: working electrode)とは、電気化学実験系のうち、興味の対象としている反応が実際にその表面上で起こっている電極をいう。作用電極、補助電極(英語版)(対電極)、基準電極の3つからなる3電極系を構成して利用することが多い。電極上の反応が還元反応であるか酸化反応であるかにより、それぞれ陰極および陽極となる。金、銀、白金などの不活性金属、ガラス状炭素、ホウ素ドープダイヤモンド、￼熱分解炭素(英語版)などの不活性炭素、水銀滴および膜電極などが作用電極に用いられる。無機化合物・有機化合物のどちらを分析する際も、化学的に修飾された電極が用いられる。

タイトル: 陽子-陽子連鎖反応
陽子-陽子連鎖反応(ようしようしれんさはんのう、proton-proton chain reaction)とは恒星の内部で水素をヘリウムに変換する核融合反応の一種である。日本語ではppチェイン、pp連鎖反応などと呼ばれることが多い。CNOサイクルと並んで、恒星内で起こる水素の核融合反応の主要な過程であり、太陽と同程度かそれより質量の小さい恒星でのエネルギー生成の大半を担っている。この反応では水素原子核の合計質量の0.7%が質量とエネルギーの等価性によって熱量に転換される。そのため、「熱核融合反応」と呼ばれる。一般に、2つの水素原子(陽子)の間に働くクーロン力に打ち勝って核融合反応が起こるためには大きなエネルギー(すなわち高い温度)と圧力(密度)を必要とする。恒星内部で陽子-陽子連鎖反応が完了するまでの平均的な時間尺度は10年のオーダーである。

タイトル: 水星
水星の気圧は10 Pa (10気圧) 程度と推測され、その成分は水素・ヘリウムの主成分に加え、ナトリウム・カリウム・カルシウム・酸素などが検出されている。この大気組成は一定しておらず、絶えず供給と散逸を繰り返している。水素やヘリウムは太陽風の粒子を水星磁場が捕捉したものと考えられ、やがて宇宙空間に拡散されてゆく。地殻で生じる放射性崩壊も一つのヘリウム供給源であり、ナトリウムやカリウムも地殻起源である。水蒸気も存在しており、これは水星の表面が崩壊して生じたものと、太陽風の水素と岩石由来の酸素がスパッタリングを起こして生成されるもの、永久影にある水の氷が昇華して発生するものがある。探査機メッセンジャーによる水の存在に関連するO、OH、H2Oなどのイオン発見は、驚きをもって受け止められた。これら発見されたイオンの量から、科学者らは水星の表面は太陽風に吹き晒されている状態にあると推測した。

タイトル: 電気化学的二元論
1800年、イギリスのウィリアム・ニコルソンとアンソニー・カーライルによって水を電気分解することで水素と酸素が得られることが発見された。 ハンフリー・デービーはこの手法を他の物質にも応用した。 デービーはこの方法によってアルカリ金属やアルカリ土類金属の単体金属を単離することに成功した。 これらの結果からデービーは化合物中の原子を結び付けている力が電気力であることを提唱した。

タイトル: 水素陰イオン
水素陰イオン(すいそいんイオン、英: Hydrogen anion, H)は、水素の陰イオン、つまり余分に電子を補足した水素原子である。太陽等の恒星の大気を構成する重要な成分の1つである。化学においては、このイオンはヒドリドイオン(水素化物イオン)と呼ばれる。1つの陽子からなる原子核に2つの電子が電磁力で結合した構造を持つ。水素陰イオンの結合エネルギーは、追加の1つの電子が水素原子に結合するエネルギーに等しく、水素の電子親和力とも呼ばれ、0.754195(19) eVまたは0.0277161(62) hartreeと計算される。合計の基底状態エネルギーは、-14.359888 eVとなる。

タイトル: オイゲン・ゴルトシュタイン
後に負に帯電した陰極から正に帯電した陽極に向かって移動する電子として認識される既に知られていた陰極線に加え、反対方向に進むもう1つの線があると結論付けた。この後者の線は陰極の穴や溝を通ったので、これをKanalstrahlen(カナル線)と呼んだ。これは正イオンから構成され、その正体は管内の残留気体に依存する。同じくヘルムホルツの学生であったヴィルヘルム・ヴィーンが後にカナル線の広範な研究を行い、この研究は質量分析の基本部分となった。最大のe/m比を持つ陽極線は水素気体(H2)から来ており、Hイオンからなる。言い換えれば、この線は陽子でできている。厳密にいうと陽子のe/m比を測定し発見したとされるのはヴィーンであるという議論もあるが、ゴルトシュタインのHの陽極線の研究は明らかに初めての陽子の観測である。放電管を用いて彗星の調査も行った。

タイトル: 水素水
水素は、ガラスやプラスチックを短時間で通過してしまうため、長時間の保存にはアルミニウム製の容器が向いている。ただし、アルミニウム製の容器に入れたとしても水素は大気圧では容易に水の中から抜けていき容器内で水と気体の水素に分離してしまうので、容器内で水素を発生させることにより容器内を加圧すればヘンリーの法則により水中に高濃度の水素を存在させることができる。

タイトル: 水上置換
水上置換(すいじょうちかん)とは、気体の捕集法の1つである。主に水に溶けにくい気体の捕集に用いられる。しかし、少し水溶性があっても、気体の毒性や引火性が高い場合はこの方法を用いることもある。水槽などに水を入れ、気体の発生口をその中に入れる。はじめに発生口から出る気体は、気体を発生させる装置内の空気なので、しばらく待ってから気体を容器に集める。このとき容器の中は水で満たしておく。この方法では空気の混入も少なく、気体の捕集量の計測にも使われる。厳密には蒸気圧に応じて、多少の水蒸気が混入してしまうが、他の気体の捕集法に比べて純度の高い気体が得られるので、実験室レベルでは好んで用いられる。これは、イギリスの生理学者スティーヴン・ヘールズが考案した。

タイトル: 加水分解
ハロゲン化物など求電子性の高い無機化合物には、加水分解を受けてハロゲン化水素とともに水酸化物やオキソ酸を与えるものがある。塩化チタン(IV) は空気に触れると白煙を生じるが、これは湿気により加水分解を受けて酸化チタン(IV) に変わるためである。有機金属化合物も以下のような加水分解を受ける。反応性は化合物により異なる。ジエチル亜鉛など、空気中の湿気に触れると発火する化合物も知られる。

タイトル: 固体酸化物形電解セル
83 kJのエネルギーが必要である。しかし、温度が上がるにつれギブスの自由エネルギーが低下し必要な電圧、電力は低下する。その分吸熱反応でエネルギーが賄われる。必要な理論電圧は温度に比例して低下することになる。電解槽のジュール熱を高温の水分解反応に利用することで、100%に等しい効率で電気分解できる。(水の加温、水素・酸素の冷却を行えば熱の分損失が出る)集光型太陽熱集熱器や地熱源、など、外部熱源からの熱を加える方法も有る。この場合投入した電力以上の水素が得られ、見かけ上効率は100%を超す。

タイトル: 電解質
電解質から生み出されるこれらのイオンが無いと、電極の周りの電荷が電子の流れを妨げる。なぜなら、HとOHの水中の拡散は、はるかに数が多い塩のイオンの移動よりも少ないからである。電解質の導体は、金属-電解質界面での化学反応が有益な効果を生むような電子機器に用いられる。また電気化学および溶液化学の測定において、イオン強度を調整するために、過塩素酸ナトリウムなど配位力の弱い電解質が用いられる。

タイトル: 二酸化炭素の電気分解
銅(Cu)を電極に用いて二酸化炭素水溶液を電気分解する際、電位が-1.15ボルトより負になるとメタン、エチレン等の炭化水素が発生する。この時、電極表面が単体の銅だった場合メタンのような炭素原子を1つしか持たない炭化水素(C1化合物)が生じるが、水酸化銅(II)だった場合、エチレンやエタノールのような炭素原子を複数持つ炭化水素(C2化合物)も生じるようになる。

タイトル: 陽電子
陽電子は陽子過多により不安定な原子核のβ崩壊により生成される。もしくは、1.022 MeV以上のエネルギーの電磁波と電磁場の相互作用により対生成される。陽電子は物質内に侵入すると、物質内の原子の核外電子(特に価電子、伝導電子)と対消滅し、数本のγ線となる。また、対消滅が起こる前に準安定状態の電子-陽電子対(ポジトロニウム)を作る場合がある。これは一種の水素様原子(元素記号はPs)である。電子と陽電子のスピンが反平行な一重項状態をパラポジトロニウム (p-Ps) といい、スピンが平行な三重項状態をオルソポジトロニウム (o-Ps) という。電子と陽電子の対消滅により放出されたγ線のエネルギー分布の観測から、単結晶中の電子の運動量密度分布を求めることができる。これは二光子消滅のγ線が本来511.0 keVであるところ、ドップラー効果によりエネルギーが増減するためである。

タイトル: 風解
風解(ふうかい、英語: efflorescence)はある種の水和物から全部または一部の水が失われる現象で、潮解と反対の現象として知られている。風解を起こす物質の例として炭酸ナトリウム10水和物、硫酸銅(II) の5水和物などがある。風解は、結晶の表面の水蒸気圧(解離圧)が大気中の水蒸気圧より大きいときに起こる。すなわち、密閉容器中であればその中の水蒸気圧が一定値で飽和し、風解は起こらなくなる。

タイトル: 電極
なお、陽極・陰極の用語は、電流の方向(酸化・還元の方向)にもとづくアノード・カソードの直訳とする流儀と、電位が高い・低い(正極・負極)の意味で用いる流儀がある。電気分解では二つの流儀は同じである(正極=陽極=アノード、負極=陰極=カソード)。しかし、電池では、となり、陰極・陽極が逆になる。混乱を避けるため、電池に対しては陽極・陰極を使わない方が良い。電気分解に対しても、正極・負極、アノード・カソードの用語だけを用い、陽極・陰極の用語を使わない流儀もある。

タイトル: 理想気体
理想気体は、気体が関係する物理化学現象を解析する際に、気体のモデルとして多用される。例として

タイトル: 水クラスター
2005年にNature誌に掲載されたカナダとドイツの研究グループによる報告では、H2O 中、OHの伸縮振動を高時間分解能での赤外分光法により解析したところ、3,350 cm のパルスレーザーで生じさせた水の変化は 50フェムト秒以内に緩和され消失することが分かった。水分子同士の水素結合を通したエネルギーの再分配は非常に速く、特定の構造についての記憶はただちに失われた。ほか、HOD/D2O を用いた測定はいくつかの研究例があり、重水中での O-H...O 水素結合の動的挙動が数十フェムト秒オーダーからピコ秒オーダーの時間スケールで観測されたと報告されている。

タイトル: 陽電子
1928年、ポール・ディラックがディラックの海という空間にできる穴の形で、初めて正電荷を持つ電子、いわゆる反電子の存在の仮説を立てた。1932年にカール・デイヴィッド・アンダーソンが、鉛板を入れた霧箱を用いてそのような性質を持つ粒子の観測に成功し、プラスの電荷を持っていることから「陽電子」(positron) と命名した。アンダーソンは、ポジトロンと対にするため、電子の正式な名称をエレクトロンからネガトロン (negatron) に変更する運動を起こしたが、失敗に終わっている。

タイトル: ヘンリー・キャヴェンディッシュ
これを知ったキャヴェンディッシュは追試を続けて、この反応では水が生み出され、反応の際に体積が5分の1だけ減少することを確かめ、この結果を1784年に発表した。この反応は水素と酸素から水が合成されたこと、すなわち水は単独の元素ではなく化合物であることを意味する。しかしキャヴェンディッシュはフロギストン説の立場から、水素 = 水 + フロギストン酸素 = 水 − フロギストンと考え、この両者が反応して水が生成されたと解釈した。また水素と窒素(当時はフロギストン空気と呼ばれていた)を電気火花で反応させると、硝酸が生成することも発見した。そして空気中の窒素をこの方法ですべて反応させ、さらに酸素も取り除くと、あとには何物とも反応しない少量の気体が残ると記した。

タイトル: 二酸化炭素の電気分解
SOECに二酸化炭素と水を同時に供給、電気分解で一酸化炭素ガスと水素を同時に発生させる。十分に高温であれば電解電圧/ギブス自由エネルギーは低下し、この反応は吸熱反応になる。熱エネルギーにはサバティエ反応による発熱を利用する。これにより80 - 90%の効率でメタンを合成できる可能性もあるとされる。