水の電気分解の化学反応式を完全解説！体積比2対1と電極の見分け方

水の電気分解の化学反応式を完全解説！体積比2対1と電極の見分け方に関する主要なデータを分かりやすく解説いたします。

教育現場の理科教員や実験を行う中高生の間で、毎年のように報告される定番の疑問があります。「実験の手順書通りに装置を組んだのに、どうしても体積比が綺麗な2対1にならない」という現象です。

ネット上のQ&Aコミュニティや理科教育の現場報告でも、「陰極の水素に対して、陽極の酸素が少なすぎる」「実測値が2.3対1や2.5対1になってしまい、測定ミスを疑った」という声が多数寄せられています。しかし、大手教材メーカーの実験指導マニュアルや専門家の知見によれば、実験開始直後に酸素の見かけの発生量が少なくなるのは至極当然の物理化学的現象です。

最大の原因は、気体の「水に対する溶解度の差」にあります。20℃の純水1Lに溶ける気体の体積を比較すると、水素が約18mLであるのに対し、酸素は約31mLと、酸素は水素の約1.7倍も水に溶けやすい性質を持っています。そのため、実験の初期段階では発生した酸素の一部が水酸化ナトリウム水溶液中に溶け込んでしまい、気体として上部に溜まりにくくなるのです。

このズレを防ぐための現場ノウハウとして、熟練の教員は「本測定を始める前に数分間予備通電を行い、水溶液中の溶存酸素濃度を飽和させておく」という手順を徹底しています。現場のリアルなデータを観察することは、教科書に書かれた理論値と現実世界の物理現象との差異を学ぶ格好の機会となります。