電気とそれが化学反応に与える影響の研究は、電気化学として知られています。電気化学では、「レドックス」または酸化還元反応において、ある元素から別の元素への電子の移動によって電気が生成されます。
電気化学は、電位と識別可能な化学変化との関係を扱います。電位は特定の化学変化から生じるか、またはその逆です。電子の移動がこれらの反応を促進します。
化学反応によって電位が発生したり、電位差の影響を受けたりすることを「電気化学反応」と呼びます。これは、化学反応が分子間の電子の直接移動を伴うためです。対照的に、電気化学反応は、溶液中のイオン種によって分離された電極に向かって、電子伝導相を介して間接的に電子が移動することを伴います。
この記事の次のセクションでは、電気化学の基礎と電気化学の重要なトピックについて説明します。さまざまな入試における電気化学のトピックの重要性はかなりのものであり、よく読む必要があります。電気化学を勉強するときは、これらの重要な点に留意してください。
- 特定の化学反応によって「電気」が発生することがあります。
- 「電気」は、他の方法では起こらない特定の反応を起こすことができます。
- 電気化学反応は、これらの両方の要因に対処します。
電気化学 – 重要なトピック
<オール>酸化および還元反応
分子またはイオンへの、または分子またはイオンからの電子の移動による分子またはイオンの酸化状態の変化を伴う電気化学プロセスは、「還元酸化」または「レドックス」反応として知られています。
電気化学反応によって引き起こされる原子、分子、またはイオンの酸化状態の変化は、酸化と還元として説明されます。
「酸化」は、原子、分子、またはイオンが電子を失い、原子、分子、またはイオンの酸化状態が増加するときに発生します。 「還元」は、原子、分子、またはイオンが電子を獲得し、原子の酸化状態、分子、またはイオンが減少するときに発生します。
これは記憶装置の助けを借りて思い出すことができます:「OIL RIG」、つまり、酸化は電子の損失であり、還元は電子の獲得です。
酸化還元反応では、酸化と還元が常に同時に起こります。したがって、酸化を受ける（または電子を失う）原子、分子、またはイオンは、還元剤と呼ばれます。逆に、還元 (または電子の獲得) を受ける原子、分子、またはイオンは、酸化剤と呼ばれます。
たとえば、酸化還元反応では、亜鉛原子が 2H+ と反応して 2 つの電子を失い、結果として Zn2+ と H2 が得られます。
Zn の酸化数は 0 から 2 に増加します。したがって、種は酸化を受けていると言います。一方、H+ の酸化数は +1 から 0 に減少します。したがって、この種は減少していると言えます。
以下の反応の場合：
CO3 2- + 2H+ → CO2 + H2O
いずれの元素も酸化または還元を受けません。つまり、各元素は反応物側と生成物側で同じ酸化数を持ちます。したがって、この反応はレドックス反応とは見なされません。
電気化学セル
化学反応を利用して電気エネルギーを生成したり、「電気」を利用して、他の方法では起こらない特定の反応を起こすことができるデバイスは、電気化学セルとして知られています。
化学反応を利用して電気エネルギーを生成する電気化学セルは、「ガルバニ電池」または「ボルタ電池」として知られています。 「電気」を使用して特定の反応を非自発的に発生させる電気化学セルは、電解セルとして知られています。
電解セル
このデバイスは、電気を利用して非自発的な化学反応を促進します。たとえば、電気を適用すると、水はその化学成分である水素と酸素に電気分解されます。
電解セルは、電解液と 2 つの電極の 3 つのコンポーネントで構成されています。 2 つの電極 (アノードとカソード) は、溶液 (電解質) 内のイオン種によって分離されています。
外部電圧が印加されると、電極は累積電荷を獲得し、反対の電荷を持つ電解質内のイオンが対応する電極に引き付けられます。すなわち、正電荷を帯びたイオンは負電荷を帯びた電極に引き寄せられ、負電荷を帯びたイオンは正電荷を帯びた電極に引き寄せられます。
電荷移動反応は電極で起こります。このように、印加された外部電圧は、分子をその化学成分に自然に分解するのに役立ちます。これは、他の方法では起こりません。
ガルバニ電池
化学反応を利用して電気エネルギーを生成する電気化学セルは、「ガルバニ電池」または「ボルタ電池」として知られています。
銅線が浸されている硝酸銀の溶液を考えてみましょう。銅イオンが硝酸銀の溶液に入り始め、銀イオンが銅線に蓄積します。
その結果、溶液中に銅イオンが存在するため、硝酸銀溶液はゆっくりと青色に変わります。この場合、銅線が酸化し、硝酸銀溶液が減少します。
ガルバニ電池は、次の反応を非自発的に発生させるように構築できます。酸化還元反応は、酸化半電池と還元半電池の 2 つの半電池に分けることができます。
ガルバニ電池では、これらの半電池は外部ワイヤを介して分離されます。上記の場合、酸化を受ける銅線は陽極として機能します。アノードは、還元が行われる銀電極に接続された電圧計に接続されます。
したがって、銀電極は「陰極」として機能します。これらの電極は両方とも、それぞれ硝酸銅と硝酸銀の別々の 1M 溶液に沈められます。
酸化半電池では、Cu イオンは電子を失い、Cu+2 イオンとして溶液に移行します。還元ハーフセルでは、Ag イオンが Ag(s) に還元されます。両方の半電池を接続する塩橋は、半電池間の電荷バランスを維持します。
結論
電気とそれが化学反応に与える影響の研究は、電気化学として知られています。簡単に言えば、電気化学は電気と化学反応の関係を研究します。電位と特定可能な化学変化との関係を扱います。ここで、電位は特定の化学変化から生じるか、またはその逆です。電子の移動がこれらの反応を促進します。
