水の電気分解：原子保存と体積比2:1Electrolysis of Water: Atoms Conserved, Volume Ratio 2:1

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 水を電気分解すると、陰極（−）と陽極（+）のどちらにより多くの気体が集まると思いますか。その比はどれくらいでしょうか。When water is electrolyzed, do you think more gas collects at the cathode (−) or at the anode (+)? About what ratio?💡 水分子 H₂O 1個にふくまれる水素原子と酸素原子の数、そして H₂・O₂ がそれぞれ何個の原子でできているかを考えましょう。Think about how many hydrogen and oxygen atoms one H₂O molecule contains, and how many atoms make up H₂ and O₂.
2. 反応の途中（水がまだ半分残っているとき）でも、全体の水素原子と酸素原子の数は最初と同じだと思いますか。Halfway through the reaction (when half the water is still left), do you think the total numbers of hydrogen and oxygen atoms are the same as at the start?💡 残っている水分子と、できた気体の分子の両方に目を向けましょう。Look at both the water molecules that remain and the gas molecules that have formed.

2動かしてみようTry it

1. ページを開くと自動で再生が始まる。「水分子の数 n」8 個のまま、水分子が電極に近づき、陰極(−)側に H₂（白い球2個）、陽極(+)側に O₂（赤い球2個）ができて気泡として上がり、管の上にたまる様子を観察する。Playback starts automatically when the page opens. With "Water molecules n" at 8, watch water molecules approach the electrodes, H₂ (two white balls) form on the Cathode (−) side and O₂ (two red balls) on the Anode (+) side, rise as bubbles, and collect at the top of the tubes.
2. 「一時停止」を押してから「進行度 p」スライダーを 0%、50%、100% にドラッグし、右のパネルの「H₂O 残り」「H₂ 生成」「O₂ 生成」の個数と、原子数の表（反応前・現在）を読む。Press "Pause", then drag the "Progress p" slider to 0%, 50% and 100%. Read the counts for "H₂O left", "H₂ made" and "O₂ made" and the atom table (Before / Now) in the right panel.
3. 「気体の体積」の H₂ と O₂ の2本のバーの長さを比べ、管にたまった気体の高さとも見比べる。Compare the lengths of the two "Gas volume" bars for H₂ and O₂, and compare them with the heights of the gas collected in the tubes.
4. 「水分子の数 n」を 16 個に変え、「進行度 p」を 25% や 100% にして、原子数と体積比がどうなるか確かめる。「再生速度」を変えて「再生」し、動きを見直してもよい。Change "Water molecules n" to 16 and set "Progress p" to 25% and 100% to see what happens to the atom counts and the volume ratio. You can also change "Speed" and press "Play" to watch the motion again.

3確かめようCheck

1. n = 8 で進行度 50% のとき、H₂O 残り・H₂ 生成・O₂ 生成はそれぞれ何個でしたか。With n = 8 and progress 50%, how many were there of H₂O left, H₂ made and O₂ made?→ H₂O 残り 4 個、H₂ 生成 4 個、O₂ 生成 2 個だった。H₂O left: 4, H₂ made: 4, O₂ made: 2.
2. そのとき、原子数の表の H と O は反応前と現在でどうなっていましたか。At that moment, what did the atom table show for H and O, Before and Now?→ 反応前も現在も H 16、O 8 で同じだった（「原子は保存 ✓ (2n, n)」）。進行度を 100% にしても変わらない。Both Before and Now showed H 16 and O 8 ("Atoms conserved ✓ (2n, n)"). It stays the same even at 100% progress.
3. 水素と酸素はそれぞれどちらの電極側に発生し、体積比はいくつでしたか。At which electrode did hydrogen and oxygen each form, and what was the volume ratio?→ 水素は陰極(−)側、酸素は陽極(+)側に発生し、体積比 H₂:O₂ はどの進行度でも 2 : 1 だった（n = 8、100% で H₂ 8 個、O₂ 4 個）。Hydrogen formed on the Cathode (−) side and oxygen on the Anode (+) side, and the volume ratio H₂:O₂ was 2 : 1 at every progress value (at n = 8 and 100%: 8 H₂ and 4 O₂).
4. n = 16 で進行度 100% にすると、H₂ と O₂ はそれぞれ何個できましたか。With n = 16 and progress 100%, how many H₂ and O₂ formed?→ H₂ が 16 個、O₂ が 8 個できた。水分子と同じ数の H₂ と、その半分の O₂ ができる。16 H₂ and 8 O₂ formed. The number of H₂ equals the number of water molecules, and the number of O₂ is half of that.

4考えようThink further

1. 水素と酸素の体積比が 2:1 になるのはなぜですか。化学反応式の係数と結びつけて説明しなさい。Why is the volume ratio of hydrogen to oxygen 2:1? Explain using the coefficients in the chemical equation.→ 2H₂O → 2H₂ + O₂ より、水分子 2 個から H₂ が 2 個、O₂ が 1 個できる。同じ温度・圧力では気体の体積は分子の数に比例するので、体積比も 2:1 になる。From 2H₂O → 2H₂ + O₂, 2 water molecules give 2 H₂ and 1 O₂. At the same temperature and pressure, the volume of a gas is proportional to the number of molecules, so the volume ratio is also 2:1.
2. 水分子の数を 2 倍にすると、発生する気体の量と体積比はどうなりますか。If the number of water molecules is doubled, what happens to the amount of gas produced and to the volume ratio?→ H₂ も O₂ も 2 倍になるが、体積比は 2:1 のまま変わらない（n = 8 と n = 16 で確かめられる）。Both H₂ and O₂ double, but the volume ratio stays 2:1 (you can check this with n = 8 and n = 16).

よくある誤解Common misconceptions

• 「水素と酸素は水の中に気体のまま混ざっていて、電気で取り出しているだけ」——水分子そのものがばらばらになり、原子が組みかわって新しい H₂ と O₂ の分子ができる。"Hydrogen and oxygen gases are already mixed in the water and electricity just pulls them out" — the water molecules themselves break apart and their atoms rearrange to form new H₂ and O₂ molecules.
• 「水の化学式が H₂O なので、水素と酸素は 2:1 の質量でできる」——2:1 は体積（分子の数）の比で、質量の比ではない。"Since water is H₂O, hydrogen and oxygen form in a 2:1 ratio by mass" — 2:1 is the ratio by volume (number of molecules), not by mass.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)