本科／実戦トレーニング期／ Z Study 解答解説編／東大コース化学

本科／実戦トレーニング期／ Z Study 解答解説編／
東大コース化学
見本
XCAR4A-Z1C2-01
《電気分解》
次の文章を読み，下の問 1∼問 3 に答えよ。ただし，ファラデー定数
は F = 9:65 £ 104 C=mol，原子量は H = 1:0，O = 16:0，S = 32:0，Cu = 63:5，
Pt = 195:1 とする。
(25点)
濃度未知の硫酸銅(Ⅱ)水溶液を 200 mL ずつ 2 個のビーカー A，B に
入れ，一方には一対の白金電極を，他方には一対の銅電極を浸して，右
図のように直列回路を組んで電気分解を行ったところ，次の⑴，⑵の結
果を得た。なお，銅電極は微量の他の金属を不純物として含んでいる。
⑴ 1.0 A の一定電流をある時間流した後，A の電極を取り出し，乾燥させてから質量をはか
ったところ，陽極の質量は 0.832 g 減少し，陰極の質量は 0.794 g 増加していた。また，こ
こまでの電気分解では，A，B ともに陰極からの気体発生は見られなかった。
A の陽極の質量減少 ) 電極の溶解
⑵
その後，再び電極をビーカーに戻し，同じ電流をさらに流して電気分解を続けると，B 内
の溶液は無色になった。その後，B の電極を取り出して同じように質量変化を調べると，陰
極の質量は，初めよりも 1.27 g 増加していることがわかった。
B 内の溶液が無色になった ) Cu2+ (青色)がすべて Cu として析出した
問1
⑴の電気分解で，A，B の陽極と陰極で主に起こる反応を，それぞれ電子 e¡ を含むイ
オン反応式で表せ。ただし，不純物として含まれる金属は考えなくてよい。
問2
⑴の電気分解によって，B 内の水は何 g 減少したか。有効数字 3 桁で答えよ。ただし，
水の蒸発は考えないものとする。
問3
(8点)
(8点)
⑴，⑵を合わせて 1.0 A の電流を 2 時間流したとき，B で発生した気体の全体積は，標
準状態で何 L になるか。有効数字 2 桁で答えよ。ただし，標準状態における気体 1 mol の
体積は 22.4 L と考えてよく，発生した気体の水溶液への溶解は無視できるものとする。
(9点)
1:0 £ 602 £ 2
流れた電子の物質量；
〔mol〕
9:65 £ 104
XCAR4A-Z1C2-02
解答
陽極；2H2 O ¡! O2 + 4H + 4e
問2
B
¡! Cu
+
陰極；Cu2+ + 2e¡ ¡! Cu
¡
…………………③
…………………………④
②式より，A を流れた電子の物質量は
0:794
£ 2 = 2:500 £ 10¡2〔mol〕
63:5
直列回路だから，B にも A と同じ物質量の電子が流れるので，
③式より，B で分解される H2 O の物質量は
2:500 £ 10¡2 £
1
= 1:250 £ 10¡2〔mol〕
2
よって，求める H2 O の質量は
18:0 £ 1:250 £ 10¡2 = 0:2250〔 g 〕
答
問3
0.225 g
流れた電子の物質量は
1:0 £ 602 £ 2
= 7:46 £ 10¡2〔mol〕
9:65 £ 104
B の陽極で発生する O2 の物質量は，③式より
1
£ 7:46 £ 10¡2 = 1:86 £ 10¡2〔mol〕
4
………………⑤
一方，B の陰極では，まず，④式より，Cu の析出が起こる。
Cu 1.27 g の析出に要した電子の物質量は
1:27
£ 2 = 4:00 £ 10¡2〔mol〕
63:5
流れた電子の物質量は 7:46 £ 10¡2 mol なので，残りの電気量
で
2H+ + 2e¡ ¡! H2
の反応により H2 が発生すると考えると，発生する H2 の物質量
は
1
£ (7:46 £ 10¡2 ¡ 4:00 £ 10¡2 ) = 1:73 £ 10¡2〔mol〕
2
………⑥
よって，⑤式，⑥式より，B で発生した気体の全体積は，標準
状態で，次のようになる。
22:4 £ (1:86 £ 10¡2 + 1:73 £ 10¡2 ) = 0:804〔 L 〕
答
0.80 L
電極として白金を用いた場合
と銅を用いた場合とでは，陽
極における反応が異なるが，
その違いを押さえる。
▲
…………………………②
+ 2e
問 1 の②式の係数に着目す
る。
▲
陰極；Cu
答案作成のポイント
問 1 の③式の係数に着目す
る。
▲
¡
問 1 の③式の係数に着目す
る。
▲
…………………………①
2+
問 1 の④式の係数に着目す
る。
▲
陽極；Cu ¡! Cu2+ + 2e¡
A
[流れた電子の物質量 = Cu
▲
問 1
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
の析出に使用された電子の物
質量 + H2 の発生に使用され
た電子の物質量] という関係
を読み取る。
XCAR4A-Z1C2-03
解説
A の電極
A で用いた電極が純粋な Cu であれば，各電極では，次の反応
によって同質量の Cu の溶解および析出が見られるはずである。
陽極；Cu ¡! Cu2+ + 2e¡
陰極；Cu2+ + 2e¡ ¡! Cu
しかし，他の金属を微量に含んでいるときは，含まれる金属の
イオン化傾向の大小により，陽極では次のような変化が見られ
る。
Cu よりもイオン化傾向が大きい金属
! Cu よりも先にイオン化して溶液中に溶解する。
Cu よりもイオン化傾向が小さい金属
! 単体のまま沈殿する。
このため，各極板の質量変化は等しくならない。
B の電極
B の各電極における反応は次の通りであり，陽極では H2 O が
酸化されて O2 が発生する。
陽極；2H2 O ¡! O2 + 4H+ + 4e¡
陰極；Cu2+ + 2e¡ ¡! Cu
Zn，Fe，Ni などが溶解す
▲
は各極板の質量が変化していることから，A が Cu 電極，B が Pt
電極となる。
る。
Zn ¡! Zn2+ + 2e¡
Fe ¡! Fe2+ + 2e¡
Ni ¡! Ni2+ + 2e¡
Ag や Au などが沈殿する。
▲
Pt 電極は酸化されにくく，極板の溶解は起こらない。A で
これらは陽極泥とよばれる。
CuSO4 水溶液は弱酸性で，
溶液中の OH¡ はわずかであ
るので
4OH¡ ¡! O2 + 2H2 O + 4e¡
とは表さない。
▲
問1
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
XCAR4A-Z1C2-04
問1
水が電気分解されるとき，水溶液の液性によって，次のように反応式は使い分けて考える。
陰極
酸性溶液中では H+ が還元されるが，中性・塩基性溶液中では水の電離による H+ の補給が必要
で，結果的に H2 O が還元される。
陽極
塩基性溶液中では OH¡ が酸化されるが，酸性・中性溶液中では水の電離による OH¡ の補給が
必要で，結果的に H2 O が酸化される。
したがって，電極の反応式としては，次の組合せが妥当である。
液性
例
酸性
H2 SO4 水溶液
2H+ + 2e¡ ¡! H2
陰極の反応式
2H2 O ¡! O2 + 4H+ + 4e¡
陽極の反応式
中性
Na2 SO4 水溶液
2H2 O + 2e¡ ¡! H2 + 2OH¡
2H2 O ¡! O2 + 4H+ + 4e¡
塩基性
NaOH 水溶液
2H2 O + 2e¡ ¡! H2 + 2OH¡
4OH¡ ¡! O2 + 2H2 O + 4e¡

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