銅の電解精製Electrorefining of Copper

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

1. 粗銅（陽極）と純銅（陰極）を硫酸銅水溶液に入れて電流を流すと、それぞれの極の質量はどう変わると思いますか。気体は発生すると思いますか。When crude copper (anode) and pure copper (cathode) are placed in copper sulfate solution and a current is passed, how do you think the mass of each electrode will change? Do you think any gas will be produced?💡 陽極と陰極で、電子を失う反応と電子を受け取る反応がそれぞれ起こる。水溶液中にある銅イオン（Cu²⁺）がどちらの極に引きつけられるかを考えよう。One electrode has a reaction that loses electrons and the other a reaction that gains electrons. Think about which electrode the copper ions (Cu²⁺) in the solution are attracted to.
2. 電流を2倍にすると、陰極に付く銅の量はどうなると思いますか。If the current is doubled, what do you think happens to the amount of copper deposited on the cathode?💡 電流は1秒あたりに流れる電子の量を表している。銅イオン1個が銅になるのに電子がいくつ必要かも思い出そう。Current tells how many electrons flow each second. Also recall how many electrons one copper ion needs to become copper.

2動かしてみようTry it

1. 「リセット」を押す（電流は止まる）。「電流の強さ」1.0 A、「時間の速さ」1秒=5分、「粗銅の不純物」10 %にし、「陽極（粗銅）の質量」30.000 gと「陰極（純銅）の質量」6.000 gを確認する。Press "Reset" (the current stops). Set "Current" to 1.0 A, "Time speed" to 1 s = 5 min and "Impurities in crude copper" to 10 %, and check "Anode (crude copper) mass" 30.000 g and "Cathode (pure copper) mass" 6.000 g.
2. 「開始」を押し、「通電時間」が約30分になったら「停止」を押す。Cu²⁺（青）とSO₄²⁻（黄）の動く向き、電子の矢印がどこを通るか、陽極・陰極の厚さの変化、陽極の下にたまるものを観察し、「陽極から溶けた銅」「陰極に付いた銅」「陽極スライム」の値を記録する。Press "Start" and press "Stop" when "Time current flows" is about 30 min. Observe which way Cu²⁺ (blue) and SO₄²⁻ (yellow) move, where the electron arrows go, how the thickness of each electrode changes, and what collects under the anode. Record "Copper dissolved from anode", "Copper deposited on cathode" and "Anode slime".
3. 停止中に、イオンや質量の数値が動くかどうかを確かめる。While stopped, check whether the ions or the mass values change.
4. 「リセット」して「電流の強さ」を2.0 Aにし、同じく約30分通電して、「陰極に付いた銅」を1.0 Aのときと比べる。Press "Reset", set "Current" to 2.0 A, run again for about 30 min, and compare "Copper deposited on cathode" with the 1.0 A run.
5. 「リセット」して「粗銅の不純物」を0 %と20 %に変えて通電し、「陽極スライム」と「陽極（粗銅）の質量」の減り方を比べる。Press "Reset", change "Impurities in crude copper" to 0 % and then 20 %, run each, and compare "Anode slime" and how much the "Anode (crude copper) mass" decreases.

3確かめようCheck

1. 通電中、Cu²⁺とSO₄²⁻はそれぞれどちらの極へ動きましたか。電子の矢印はどこに描かれていましたか。During the current flow, toward which electrode did Cu²⁺ and SO₄²⁻ each move? Where were the electron arrows drawn?→ 陽イオンのCu²⁺は陰極（−）へ、陰イオンのSO₄²⁻は陽極（＋）へ動いた。電子の矢印は導線の中だけで、陽極から電池を通って陰極へ向かい、水溶液の中には描かれていない。The positive ion Cu²⁺ moved to the cathode (−) and the negative ion SO₄²⁻ moved to the anode (+). The electron arrows appear only in the wires, going from the anode through the battery to the cathode, and are not drawn in the solution.
2. 1.0 Aで約30分通電したとき、「陽極から溶けた銅」と「陰極に付いた銅」はそれぞれ何gでしたか。After about 30 min at 1.0 A, how many grams were "Copper dissolved from anode" and "Copper deposited on cathode"?→ どちらも約0.6 g（例：−0.596 gと＋0.596 g）で、常に同じ値だった。陽極ではCu → Cu²⁺ ＋ 2e⁻、陰極ではCu²⁺ ＋ 2e⁻ → Cu の反応が起こり、気体は発生しない。Both were about 0.6 g (for example −0.596 g and +0.596 g), always the same value. At the anode Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ occurs and at the cathode Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, and no gas is produced.
3. 電流を2.0 Aにすると、同じ時間で陰極に付いた銅の量はどうなりましたか。停止中はどうでしたか。At 2.0 A, how much copper was deposited on the cathode in the same time? What happened while stopped?→ 約30分で約1.2 g（1.0 Aの約2倍）になり、イオンの動きも速くなった。付く銅の量は電流×時間に比例する。停止中はイオンの移動も、とける・付く変化もすべて止まり、質量の数値は変わらない。About 1.2 g in about 30 min, roughly twice the 1.0 A amount, and the ions also moved faster. The deposited copper is proportional to current × time. While stopped, ion movement, dissolving and depositing all stop and the mass values do not change.
4. 粗銅の不純物はどうなりましたか。陽極の質量の減少量と、陰極の質量の増加量は等しくなりましたか。What happened to the impurities in the crude copper? Was the decrease in anode mass equal to the increase in cathode mass?→ 不純物はとけずに陽極の下に「陽極スライム」として沈み、陰極には付かない。そのため陽極の減少量は「溶けた銅＋スライム」となり（例：10 %で0.712 g＝0.641 g＋0.071 g）、陰極の増加量（溶けた銅の分）より大きい。不純物0 %のときだけ両者は等しくなり、スライムも0 gになる。The impurities do not dissolve; they sink below the anode as "anode slime" and are not deposited on the cathode. So the anode's loss is dissolved copper + slime (e.g. at 10 %: 0.712 g = 0.641 g + 0.071 g), larger than the cathode's gain (the dissolved copper only). Only at 0 % impurities are they equal, with 0 g of slime.

4考えようThink further

1. 銅イオンが陰極で銅になって減っていくのに、通電中も水溶液の青色がほとんど変わらないのはなぜですか。Copper ions keep turning into copper at the cathode, so why does the blue color of the solution hardly change during the current flow?→ 陰極でCu²⁺が1個銅になるとき、陽極では銅が1個Cu²⁺になってとけ出すので、水溶液中のCu²⁺の数（この作品では36個）は一定に保たれる。青色はCu²⁺によるものなので、色の濃さも変わらない。Each time one Cu²⁺ becomes copper at the cathode, one copper atom at the anode dissolves as Cu²⁺, so the number of Cu²⁺ in the solution (36 in this simulation) stays constant. The blue color comes from Cu²⁺, so its intensity does not change.
2. 炭素棒を電極にして塩化銅水溶液を電気分解する実験と比べると、この電解精製では何がちがいますか。Compared with electrolyzing copper chloride solution with carbon electrodes, what is different in this electrorefining?→ 塩化銅水溶液の電気分解では陰極に銅が付き、陽極では塩化物イオンが電子を失って塩素が発生し、銅イオンが減るので青色がうすくなる。電解精製では陽極そのものが銅で、陽極の銅がとけてCu²⁺になるため、気体は発生せず、溶液中のCu²⁺も減らない。（塩化銅の電気分解はこの作品では扱っていない。）In copper chloride electrolysis, copper is deposited at the cathode while chloride ions lose electrons at the anode to form chlorine gas, and the blue color fades as copper ions are used up. In electrorefining the anode itself is copper and dissolves as Cu²⁺, so no gas forms and the Cu²⁺ in the solution is not used up. (Copper chloride electrolysis is not modeled in this simulation.)

よくある誤解Common misconceptions

• 「電気分解では電極から必ず気体が発生する」→ 電解精製では陽極の銅がとけ、陰極に銅が付くだけで、どちらの極でも気体は発生しない。"Electrolysis always produces gas at the electrodes." In electrorefining the anode copper dissolves and copper is deposited on the cathode; no gas is produced at either electrode.
• 「電子が水溶液の中を通って陽極から陰極へ移動する」→ 電子が流れるのは導線の中だけで、水溶液の中ではイオン（Cu²⁺とSO₄²⁻）が移動して電流を運ぶ。"Electrons travel through the solution from the anode to the cathode." Electrons flow only in the wires; in the solution the current is carried by moving ions (Cu²⁺ and SO₄²⁻).

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