塩化銅水溶液の電気分解Electrolysis of Copper Chloride Solution

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

1. 電源をつなぐと、Cu²⁺ と Cl⁻ はそれぞれ＋極と−極のどちらに向かって動くと思いますか。When the power is connected, which electrode, + or −, do you think Cu²⁺ and Cl⁻ will each move toward?💡 ＋と−の電気は引き合い、同じ種類の電気はしりぞけ合います。Opposite charges attract each other, and like charges repel.
2. 電源の＋と−を入れ替えると、銅がつく電極と気体が出る電極はどうなると思いますか。If the + and − of the power supply are swapped, what do you think will happen to which electrode gets copper and which gives off gas?💡 電極の位置ではなく、その電極が電源のどちらの極につながっているかに注目しましょう。Focus not on where each electrode is, but on which terminal of the power supply it is connected to.

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態（電圧 3.0 V、濃度 3 / 6）で、青い Cu²⁺（2+）と黄緑色の Cl⁻（−）がどちらの電極へ動くかを観察する。陰極（−）にできる赤銅色の層と、陽極（＋）から出る黄緑色の気泡、導線上の e⁻ の粒も確認する。In the starting state (Voltage 3.0 V, Concentration 3 / 6), watch which electrode the blue Cu²⁺ (2+) and the yellow-green Cl⁻ (−) move toward. Also look for the copper-colored layer on the Cathode (−), the yellow-green bubbles from the Anode (+), and the e⁻ particles on the wires.
2. 「電圧」を 0.0 V にして、イオンの動き・析出・気泡がどうなるか、上部の表示が「通電なし：ランダム運動（反応停止）」になることを確かめる。Set "Voltage" to 0.0 V. Check what happens to the ion motion, the deposit and the bubbles, and confirm the top display shows "No current: random motion (no reaction)".
3. 「電圧」を 6.0 V、「濃度」を 6 / 6 にして、イオンの移動の速さ、銅の析出と気泡の出る速さ、上部の「析出Cu」「Cl₂」「e⁻」の数の増え方を 3.0 V のときと比べる。Set "Voltage" to 6.0 V and "Concentration" to 6 / 6. Compare with 3.0 V: how fast the ions move, how fast copper is deposited and bubbles appear, and how quickly the "Cu deposited", "Cl₂" and "e⁻" counts at the top increase.
4. 「極性を反転（＋ / − 入れ替え）」を押し、陰極・陽極の表示と、銅が析出する電極・気泡が出る電極が入れ替わることを確かめる。Press "Reverse polarity (swap + / −)" and confirm that the Cathode/Anode labels switch, along with which electrode gets copper and which gives off bubbles.

3確かめようCheck

1. Cu²⁺ と Cl⁻ はそれぞれどちらの電極へ動き、そこで何が起きましたか。Which electrode did Cu²⁺ and Cl⁻ each move toward, and what happened there?→ Cu²⁺ は陰極（−極）へ動き、電子を受け取って赤銅色の銅として電極に積もった。Cl⁻ は陽極（＋極）へ動き、電子を渡して黄緑色の塩素の気泡になって上昇した。Cu²⁺ moved to the cathode (− electrode), gained electrons and built up on it as reddish copper. Cl⁻ moved to the anode (+ electrode), gave up electrons and rose as yellow-green bubbles of chlorine gas.
2. 電圧を 0.0 V にすると、イオンの動きはどうなりましたか。What happened to the ions when the voltage was set to 0.0 V?→ イオンは特定の向きに進まず、ゆらゆらとランダムに動くだけになり、銅の析出も気泡の発生も止まった。The ions no longer moved in any particular direction; they just drifted randomly, and both copper deposition and bubbling stopped.
3. 電圧や濃度を大きくすると、何が変わりましたか。What changed when the voltage or the concentration was increased?→ 電圧を大きくするとイオンが電極へ速く移動し、析出と気泡の発生が速くなった。濃度を大きくすると Cu²⁺ と Cl⁻ の数が同じ比率で増えた（3 / 6 で Cu²⁺ 12・Cl⁻ 24、6 / 6 で 24・48）。Raising the voltage made the ions move to the electrodes faster, so copper deposited and bubbles formed faster. Raising the concentration increased the numbers of Cu²⁺ and Cl⁻ in the same ratio (Cu²⁺ 12 and Cl⁻ 24 at 3 / 6; 24 and 48 at 6 / 6).
4. 上部の表示で、析出した Cu の数・Cl₂ の数・e⁻ の数にはどんな関係がありましたか。In the display at the top, what was the relationship between the numbers of Cu deposited, Cl₂ and e⁻?→ e⁻ の数は析出 Cu の数のおよそ 2 倍で、Cl₂ の数は析出 Cu の数とほぼ同じだった（例：Cu 23、Cl₂ 23、e⁻ 46）。Cu²⁺ 1 個が電子 2 個を受け取り、Cl⁻ 2 個が電子 2 個を出して Cl₂ 1 個になるからである。The e⁻ count was about twice the Cu deposited, and Cl₂ was about equal to Cu deposited (for example Cu 23, Cl₂ 23, e⁻ 46). This is because one Cu²⁺ takes 2 electrons, and two Cl⁻ give up 2 electrons to form one Cl₂.

4考えようThink further

1. 塩化銅の電気分解全体の化学反応式を書きなさい。また、電極に炭素を使うのはなぜだと考えられますか。Write the overall chemical equation for the electrolysis of copper chloride. Why do you think carbon is used for the electrodes?→ CuCl₂ → Cu + Cl₂（陰極：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu、陽極：2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻）。炭素は電気を通すが、塩素などと反応しにくく自分自身は変化しにくいので、電極そのものが溶けたり反応したりせずに生成物を調べられる。CuCl₂ → Cu + Cl₂ (cathode: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu; anode: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻). Carbon conducts electricity but hardly reacts with chlorine or the solution, so the electrode itself does not dissolve or react and the products can be studied clearly.

よくある誤解Common misconceptions

• イオンが導線の中を通って電源まで移動する（実際は導線を流れるのは電子で、イオンは水溶液の中だけを動く）。Ions travel through the wires to the power supply (in fact electrons flow in the wires; ions move only in the solution).
• 負イオンは負極（−極）に向かう（実際は負の電気をもつ Cl⁻ は＋極（陽極）に、正の電気をもつ Cu²⁺ は−極（陰極）に引かれる）。Negative ions go to the negative electrode (in fact negatively charged Cl⁻ is attracted to the + electrode (anode), and positively charged Cu²⁺ to the − electrode (cathode)).

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