第17章電気化学

Key Concepts and Summary重要概念とまとめ

Galvanic cells are devices in which a spontaneous redox reaction occurs indirectly, with the oxidant and reductant redox couples contained in separate half-cells. Electrons are transferred from the reductant (in the anode half-cell) to the oxidant (in the cathode half-cell) through an external circuit, and inert solution phase ions are transferred between half-cells, through a salt bridge, to maintain charge neutrality. The construction and composition of a galvanic cell may be succinctly represented using chemical formulas and others symbols in the form of a cell schematic (cell notation).

英語のヒント

ガルバニ電池は、酸化剤と還元剤の酸化還元対を別々の半電池に収め、自発的な酸化還元反応を間接的に起こす装置である。電子は外部回路を通じて、還元剤（アノード側の半電池）から酸化剤（カソード側の半電池）へ移動する。また、電気的中性を保つため、溶液相の不活性イオンが塩橋を通じて半電池間を移動する。ガルバニ電池の構造と組成は、化学式などの記号を使い、電池の模式表記（電池表記）の形で簡潔に表すことができる。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 11–20練習問題 11–20

Exercise 11問題 11

Write cell schematics for the following cell reactions, using platinum as an inert electrode as needed.

必要に応じて白金を不活性電極に使い、次の電池反応の電池の模式表記を書きなさい。

(a)

Mg (s) + {Ni}^{2+} (a q) ⟶ {Mg}^{2+} (a q) + Ni (s)

(a)

Mg (s) + {Ni}^{2+} (a q) ⟶ {Mg}^{2+} (a q) + Ni (s)

(b)

2 {Ag}^{+} (a q) + Cu (s) ⟶ {Cu}^{2+} (a q) + 2Ag (s)

(b)

2 {Ag}^{+} (a q) + Cu (s) ⟶ {Cu}^{2+} (a q) + 2Ag (s)

(c)

Mn (s) + {Sn(NO}_{3})_{2} (a q) ⟶ {Mn(NO}_{3})_{2} (a q) + Sn (s)

(c)

Mn (s) + {Sn(NO}_{3})_{2} (a q) ⟶ {Mn(NO}_{3})_{2} (a q) + Sn (s)

(d)

3 {CuNO}_{3} (a q) + {Au(NO}_{3})_{3} (a q) ⟶ {3Cu(NO}_{3})_{2} (a q) + Au (s)

(d)

3 {CuNO}_{3} (a q) + {Au(NO}_{3})_{3} (a q) ⟶ {3Cu(NO}_{3})_{2} (a q) + Au (s)

Solution解き方

(a)

Mg (s) │ {Mg}^{2+} (a q) ║ {Ni}^{2+} (a q) │ Ni (s);

(b)

Cu (s) │ {Cu}^{2+} (a q) ║ {Ag}^{+} (a q) │ Ag (s);

(c)

Mn (s) │ {Mn}^{2+} (a q) ║ {Sn}^{2+} (a q) │ Sn (s);

(d)

Pt (s) │ {Cu}^{+} (a q {), Cu}^{2+} (a q) ║ {Au}^{3+} (a q) │ Au (s)

(a)

Mg (s) │ {Mg}^{2+} (a q) ║ {Ni}^{2+} (a q) │ Ni (s);

(b)

Cu (s) │ {Cu}^{2+} (a q) ║ {Ag}^{+} (a q) │ Ag (s);

(c)

Mn (s) │ {Mn}^{2+} (a q) ║ {Sn}^{2+} (a q) │ Sn (s);

(d)

Pt (s) │ {Cu}^{+} (a q {), Cu}^{2+} (a q) ║ {Au}^{3+} (a q) │ Au (s)

Exercise 12問題 12

Assuming the schematics below represent galvanic cells as written, identify the half-cell reactions occurring in each.

以下の模式表記が、記されたとおりにガルバニ電池を表していると仮定し、それぞれで起こる半電池の反応を特定しなさい。

(a)

Mg (s) │ {Mg}^{2+} (a q) ║ {Cu}^{2+} (a q) │ Cu (s)

(a)

Mg (s) │ {Mg}^{2+} (a q) ║ {Cu}^{2+} (a q) │ Cu (s)

(b)

Ni (s) │ {Ni}^{2+} (a q) ║ {Ag}^{+} (a q) │ Ag (s)

(b)

Ni (s) │ {Ni}^{2+} (a q) ║ {Ag}^{+} (a q) │ Ag (s)

Exercise 13問題 13

Write a balanced equation for the cell reaction of each cell in the previous exercise.

前問の各電池について、電池反応の係数を合わせた式を書きなさい。

Solution解き方

(a)

Mg (s) + {Cu}^{2+} (a q) ⟶ {Mg}^{2+} (a q) + Cu (s);

(b)

2 {Ag}^{+} (a q) + Ni (s) ⟶ {Ni}^{2+} (a q) + 2Ag (s)

(a)

Mg (s) + {Cu}^{2+} (a q) ⟶ {Mg}^{2+} (a q) + Cu (s);

(b)

2 {Ag}^{+} (a q) + Ni (s) ⟶ {Ni}^{2+} (a q) + 2Ag (s)

Exercise 14問題 14

Balance each reaction below, and write a cell schematic representing the reaction as it would occur in a galvanic cell.

以下の各反応の係数を合わせ、その反応がガルバニ電池で起こる場合を表す電池の模式表記を書きなさい。

(a)

Al (s) + {Zr}^{4+} (a q) ⟶ {Al}^{3+} (a q) + Zr (s)

(a)

Al (s) + {Zr}^{4+} (a q) ⟶ {Al}^{3+} (a q) + Zr (s)

(b)

{Ag}^{+} (a q) + NO (g) ⟶ Ag (s) + {NO}_{3}^{−} (a q) (acidic solution)

(b)

{Ag}^{+} (a q) + NO (g) ⟶ Ag (s) + {NO}_{3}^{−} (a q) (酸性溶液)

(c)

{SiO}_{3}^{2−} (a q) + Mg (s) ⟶ Si (s) + Mg {(OH)}_{2} (s) (basic solution)

(c)

{SiO}_{3}^{2−} (a q) + Mg (s) ⟶ Si (s) + Mg {(OH)}_{2} (s) （塩基性溶液）

(d)

{ClO}_{3}^{−} (a q) + {MnO}_{2} (s) ⟶ {Cl}^{−} (a q) + {MnO}_{4}^{−} (a q) (basic solution)

(d)

{ClO}_{3}^{−} (a q) + {MnO}_{2} (s) ⟶ {Cl}^{−} (a q) + {MnO}_{4}^{−} (a q) （塩基性溶液）

Exercise 15問題 15

Identify the oxidant and reductant in each reaction of the previous exercise.

前問の各反応の酸化剤と還元剤を特定しなさい。

Solution解き方

Species oxidized = reducing agent: (a) Al(s); (b) NO(g); (c) Mg(s); and (d) MnO₂(s); Species reduced = oxidizing agent: (a) Zr⁴⁺(aq); (b) Ag⁺(aq); (c)

{SiO}_{3}^{2−} (a q)

; and (d)

{ClO}_{3}^{−} (a q)

酸化される化学種＝還元剤：(a) Al(s)、(b) NO(g)、(c) Mg(s)、(d) MnO₂(s)。還元される化学種＝酸化剤：(a) Zr⁴⁺(aq)、(b) Ag⁺(aq)、(c)

{SiO}_{3}^{2−} (a q)

、(d)

{ClO}_{3}^{−} (a q)

。

Exercise 16問題 16

From the information provided, use cell notation to describe the following systems:

与えられた情報から、電池表記を使って次の系を表しなさい。

(a) In one half-cell, a solution of Pt(NO₃)₂ forms Pt metal, while in the other half-cell, Cu metal goes into a Cu(NO₃)₂ solution with all solute concentrations 1 M.

(a) 一方の半電池ではPt(NO₃)₂溶液からPt金属が生じ、他方の半電池ではCu金属がCu(NO₃)₂溶液中へ溶け出す。溶質の濃度はすべて1 Mである。

(b) The cathode consists of a gold electrode in a 0.55 M Au(NO₃)₃ solution and the anode is a magnesium electrode in 0.75 M Mg(NO₃)₂ solution.

(b) カソードは0.55 MのAu(NO₃)₃溶液中の金電極から成り、アノードは0.75 MのMg(NO₃)₂溶液中のマグネシウム電極である。

(c) One half-cell consists of a silver electrode in a 1 M AgNO₃ solution, and in the other half-cell, a copper electrode in 1 M Cu(NO₃)₂ is oxidized.

Exercise 17問題 17

Why is a salt bridge necessary in galvanic cells like the one in Figure 17.3?

図17.3のようなガルバニ電池に塩橋が必要なのはなぜか。

Solution解き方

Without the salt bridge, the circuit would be open (or broken) and no current could flow. With a salt bridge, each half-cell remains electrically neutral and current can flow through the circuit.

塩橋がなければ、回路は開いた（または途切れた）状態となり、電流は流れないだろう。塩橋があると、各半電池は電気的に中性に保たれ、回路に電流が流れることができる。

Exercise 18問題 18

An active (metal) electrode was found to gain mass as the oxidation-reduction reaction was allowed to proceed. Was the electrode an anode or a cathode? Explain.

酸化還元反応を進行させると、ある活性（金属）電極の質量が増加することが分かった。この電極はアノードか、カソードか。説明しなさい。

Exercise 19問題 19

An active (metal) electrode was found to lose mass as the oxidation-reduction reaction was allowed to proceed. Was the electrode an anode or a cathode? Explain.

酸化還元反応を進行させると、ある活性（金属）電極の質量が減少することが分かった。この電極はアノードか、カソードか。説明しなさい。

Solution解き方

Active electrodes participate in the oxidation-reduction reaction. Since metals form cations, the electrode would lose mass if metal atoms in the electrode were to oxidize and go into solution. Oxidation occurs at the anode.

活性電極は酸化還元反応に参加する。金属は陽イオンを形成するので、電極中の金属原子が酸化されて溶液中へ移るなら、電極は質量を失うだろう。酸化はアノードで起こる。

Exercise 20問題 20

The masses of three electrodes (A, B, and C), each from three different galvanic cells, were measured before and after the cells were allowed to pass current for a while. The mass of electrode A increased, that of electrode B was unchanged, and that of electrode C decreased. Identify each electrode as active or inert, and note (if possible) whether it functioned as anode or cathode.

それぞれ異なる三つのガルバニ電池に属する三つの電極（A、B、C）の質量を、電池にしばらく電流を流す前後で測定した。電極Aの質量は増加し、電極Bの質量は変わらず、電極Cの質量は減少した。各電極が活性か不活性かを判定し、可能なら、アノードとカソードのどちらとして働いたかも記しなさい。

active electrode

活性電極

electrode that participates as a reactant or product in the oxidation-reduction reaction of an electrochemical cell; the mass of an active electrode changes during the oxidation-reduction reaction

電気化学セルの酸化還元反応で、反応物または生成物として参加する電極。酸化還元反応の間に、活性電極の質量は変化する。

anode

アノード

electrode in an electrochemical cell at which oxidation occurs

電気化学セルで酸化が起こる電極。

cathode

カソード

electrode in an electrochemical cell at which reduction occurs

電気化学セルで還元が起こる電極。

cell notation (schematic)

電池表記（模式表記）

symbolic representation of the components and reactions in an electrochemical cell

電気化学セルの構成成分と反応を記号で表したもの。

cell potential (E_cell)

電池電位（E_cell）

difference in potential of the cathode and anode half-cells

カソード側とアノード側の半電池の電位差。

galvanic (voltaic) cell

ガルバニ（ボルタ）電池

electrochemical cell in which a spontaneous redox reaction takes place; also called a voltaic cell

自発的な酸化還元反応が起こる電気化学セル。ボルタ電池とも呼ばれる。

inert electrode

不活性電極

electrode that conducts electrons to and from the reactants in a half-cell but that is not itself oxidized or reduced

半電池の反応物との間で電子を伝導するが、それ自体は酸化も還元もされない電極。