水の電気分解 2:1Electrolysis of Water 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、−極側と＋極側の試験管にはそれぞれ何の気体がたまるだろうか。たまる量は同じだろうか。When water is electrolyzed, which gas collects in the tube on the − side and which on the + side? Will the amounts be the same?💡 水の化学式H₂Oを見て、水素原子と酸素原子の数の割合を考えてみよう。Look at the formula of water, H₂O, and think about the ratio of hydrogen atoms to oxygen atoms.
2. 水の電気分解では、水に水酸化ナトリウムを溶かしてから電流を流す。何も溶かさない純水のままだとどうなると思うか。In the electrolysis of water, sodium hydroxide is dissolved in the water before passing a current. What do you think would happen with pure water and nothing dissolved?💡 水溶液の中で電気を運ぶのは何かを思い出そう。Recall what carries electricity through a solution.

2動かしてみようTry it

1. 最初の設定（「電解質の濃度」5.0 %、「電流の強さ」0.60 A、「スイッチ ON」）のまま10秒ほど観察する。どちらの電極から泡が多く出るか、試験管の上にたまる気体と水位の下がり方、−極（陰極）・＋極（陽極）の表示、導線のe⁻の矢印、Na⁺とOH⁻の動く向きを確かめる。With the default settings (Electrolyte 5.0 %, Current 0.60 A, Switch ON), watch for about 10 seconds. Check which electrode gives off more bubbles, how gas collects at the top of each tube and pushes the water level down, the − (cathode) and + (anode) labels, the e⁻ arrows on the wires, and which way Na⁺ and OH⁻ move.
2. 下の表示「H₂ ○ mL：O₂ ○ mL　体積比 H₂:O₂ = ○ : 1」を数秒ごとに記録する。次に「スイッチ ON」を押してOFFにし、何が止まるかを確かめてから、もう一度押してONにもどす。Record the readout "H₂ … mL, O₂ … mL Volume ratio H₂:O₂ = … : 1" every few seconds. Then press the switch to turn it OFF, check what stops, and press it again to turn it back ON.
3. 「リセット」を押してから「電流の強さ」を1.00 Aにし、泡の出る速さ、e⁻の動く速さ、体積比を0.60 Aのときと比べる。Press "Reset", set Current to 1.00 A, and compare the bubbling speed, the speed of the e⁻ on the wires and the volume ratio with the 0.60 A run.
4. 「電解質の濃度」を10.0 %、0.5 %、0.0 %と変えて、下の「流れる電流」の値と泡の出方、液中のイオンの数を比べる。Set Electrolyte to 10.0 %, 0.5 % and 0.0 % in turn, and compare the "Current … A" value in the readout, the bubbling and the number of ions in the liquid.
5. 「電解質の濃度」10.0 %、「電流の強さ」1.00 Aにして、水素側の試験管が満杯になるまで待ち、最後の体積と比を記録する。Set Electrolyte to 10.0 % and Current to 1.00 A, wait until the hydrogen tube is full, and record the final volumes and ratio.

3確かめようCheck

1. −極（陰極）と＋極（陽極）では、それぞれ何の気体が発生したか。量はどうちがったか。Which gas formed at the − electrode (cathode) and which at the + electrode (anode)? How did the amounts differ?→ −極（陰極）側には水素（H₂）、＋極（陽極）側には酸素（O₂）がたまった。−極の方が泡が多く、例えば水素が2.4 mLのとき酸素は1.2 mLで、体積比はいつもH₂:O₂ = 2.00 : 1だった。満杯になったときは水素20.0 mL、酸素10.0 mLだった。Hydrogen (H₂) collected on the − (cathode) side and oxygen (O₂) on the + (anode) side. The − electrode gave off more bubbles; for example, with 2.4 mL of hydrogen there was 1.2 mL of oxygen, and the ratio was always H₂:O₂ = 2.00 : 1. When the hydrogen tube was full there were 20.0 mL of hydrogen and 10.0 mL of oxygen.
2. 導線の中の電子と、水溶液中のNa⁺・OH⁻は、それぞれどちら向きに動いていたか。Which way did the electrons in the wires and the Na⁺ and OH⁻ ions in the solution move?→ 電子（e⁻）は電源の−極から導線を通って陰極（−極）へ向かい、陽極（＋極）からは導線を通って電源の＋極へもどっていた。水溶液中では、陽イオンのNa⁺は陰極（−極）の方へ、陰イオンのOH⁻は陽極（＋極）の方へゆっくり動いていた。Electrons (e⁻) flowed from the − terminal of the power supply through the wire to the cathode (−), and from the anode (+) through the wire back to the + terminal. In the solution, the positive Na⁺ ions drifted slowly toward the cathode (−) and the negative OH⁻ ions toward the anode (+).
3. 「電流の強さ」を0.60 Aから1.00 Aにすると、何が変わり、何が変わらなかったか。When you raised Current from 0.60 A to 1.00 A, what changed and what stayed the same?→ 泡の出る速さと導線の電子の動く速さが大きくなり、同じ時間でたまる気体が多くなった（10秒ほどで0.60 Aでは水素約2.4 mL、1.00 Aでは約3.8 mL）。しかし体積比はどちらもH₂:O₂ = 2.00 : 1で変わらなかった。The bubbles formed faster and the electrons on the wires moved faster, so more gas collected in the same time (in about 10 s, roughly 2.4 mL of hydrogen at 0.60 A versus about 3.8 mL at 1.00 A). But the ratio stayed at H₂:O₂ = 2.00 : 1 in both cases.
4. 「電解質の濃度」を変えると、流れる電流はどうなったか。0.0 %やスイッチOFFのときはどうだったか。How did the current change with Electrolyte? What happened at 0.0 % and with the switch OFF?→ 「電流の強さ」0.60 Aのとき、流れる電流は濃度10.0 %で0.60 A、5.0 %で0.30 A、0.5 %で0.03 Aと、濃度が小さいほど小さく、液中のイオンも少なくなった。0.0 %ではイオンがなくなり「流れる電流 0.00 A：純水はほとんど電気を通さず、電気分解は起こりません」と表示されて泡が出なくなった。スイッチOFFでもすべての変化が止まった。With Current set to 0.60 A, the current that actually flowed was 0.60 A at 10.0 %, 0.30 A at 5.0 % and 0.03 A at 0.5 %: the lower the concentration, the smaller the current and the fewer ions in the liquid. At 0.0 % there were no ions and the readout said "Current 0.00 A: pure water hardly conducts electricity, so no electrolysis happens"; no bubbles formed. With the switch OFF, everything stopped as well.

4考えようThink further

1. 電流の強さを変えても、水素と酸素の体積比が2：1のまま変わらないのはなぜか。Why does the hydrogen-to-oxygen volume ratio stay 2:1 no matter what the current is?→ 水の電気分解は 2H₂O → 2H₂ + O₂ という反応で、水分子2個から水素分子2個と酸素分子1個ができる。電流を強くすると反応する水の量が増えるだけで、できる水素と酸素の分子の数の割合はいつも2：1である。気体は同じ温度・圧力なら分子の数に比例した体積になるので、体積比も2：1になる。Electrolysis of water is 2H₂O → 2H₂ + O₂: two water molecules give two hydrogen molecules and one oxygen molecule. A stronger current only splits more water; the ratio of hydrogen to oxygen molecules is always 2:1. At the same temperature and pressure, a gas's volume is proportional to its number of molecules, so the volume ratio is also 2:1.
2. 水酸化ナトリウムを溶かしても、電気分解で水酸化ナトリウムはなくならない。では、水酸化ナトリウムは何のために入れるのか。The sodium hydroxide is not used up during the electrolysis. So why is it added?→ 純水はイオンがほとんどないので電流がほとんど流れない。水酸化ナトリウムを溶かすとNa⁺とOH⁻が生じ、これらのイオンが水溶液中を動くことで電流が流れやすくなる。分解されるのは水であり、水酸化ナトリウムは電流を流れやすくするために入れている。Pure water contains almost no ions, so hardly any current flows. Dissolving sodium hydroxide supplies Na⁺ and OH⁻ ions, and their movement through the solution lets the current flow easily. It is the water that is decomposed; the sodium hydroxide is there to make the solution conduct.

よくある誤解Common misconceptions

• 「水素も酸素も同じだけ発生する」と考えがちだが、水分子H₂Oの水素と酸素の原子の割合が2：1なので、発生する気体の体積も水素：酸素＝2：1になる。Students often think equal amounts of hydrogen and oxygen are produced. Because a water molecule H₂O contains hydrogen and oxygen atoms in a 2:1 ratio, the gases also form in a 2:1 hydrogen-to-oxygen volume ratio.
• 「電流を強くすれば水素の割合が増える」と考えがちだが、電流を強くしても気体が発生する速さが大きくなるだけで、体積比は2：1のまま変わらない。Students often think a stronger current increases the proportion of hydrogen. A stronger current only makes the gases form faster; the volume ratio stays 2:1.

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