電氣分解(英語: Electrolysis)는, 化合物에 電壓을 거는 것으로, 電氣化學的으로 酸化還元反應을 일으켜, 化學分解하는 方法. 省略해 電解라고도 한다. 같은 原理에 根據해, 電氣化學的인 酸化還元反應에 依해서 物質을 合成하는 方法은 傳해 合成으로 불려 特히 生成物이 高分子가 되는 境遇는 電解重合이라고 한다. 鹽素나 알루미늄, 銅等, 여러가지 化學物質이 電氣分解에 依해서 生産되고 있다. 물의 電氣分解는 學校等에서 行해지는 代表的인 化學實驗인 것과 同時에, 將來的인 에너지로서 期待되는 水素를 얻는 方法으로서 오늘이라도 多方面에서 硏究가 進行되고 있다.
槪要[]
液體中에 2個의 電極을 담그어, 電極의 사이에 電壓을 걸면, 液體中의 化學物質과 電極과의 사이에 電子의 收受가 일어나, 結果的으로 化學反應이 進行하는 境遇가 있다. 이 때, 電源의 正極에 接續한 電極(어노드)에서는 化學物質로부터 電子가 빼앗기고 酸化가 일어나, 反對로 陰極에 接續한 電極에서는 化學物質에 電子가 주어지고 還元이 일어난다. 이 結果, 元의 化學物質이 化學分解하는 境遇를 電氣分解라고 한다. 電氣分解로 生成한 物質은 液體中에 溶解한 채로 남기도 하지만, 電極上에 金屬으로서 析出하거나 氣體로서 發生하거나 하고, 液體로부터 分離하는 境遇도 있다. 電氣分解를 連續해 일으키기 爲해서는, 反應한 化學物質이 電極으로부터 멀어져 未反應의 化學物質이 電極가까이 옮겨져 올 必要가 있다. 이 때문에, 通常의 電氣 分解는 液體(電氣分解液) 中에서 行해진다. 電氣分解用의 液體는, 分解하고 싶은 化學物質을 溶媒에 녹이고 溶液으로 한 것이나, 高溫으로 해 融解시킨 것이 使用된다. 後者의 境遇를 特히 溶解鹽電解라고 한다. 드물게 水蒸氣電解와 같이 固體電解質을 利用해 氣體를 電氣分解하는 일도 行해진다. 電氣分解에서는, 電壓마저 充分히 비싸게 걸칠 수 있으면, 여러가지 物質의 酸化나 還元을 일으킬 수 있다. 따라서, 電氣分解를 利用하면, 天然에서는 一般的으로 化合物로서 存在하고 있는 알칼리金屬이나 銅等의 元素를, 單體로서 꺼낼 수 있다. 이 方法은 電氣分解精練으로 불려 여러가지 金屬의 精練에 利用되고 있다.
歷史[]
18 世紀末에 알렉산드로・보르타에 依해서 보르타電池가 發明되면, 化學反應에의 電氣의 利用의 硏究가 開始되었다. 1800年에는 앤터니・Carlyle(Anthony Carlisle)와 윌리엄・니콜슨(William Nicholson)이 처음으로 물의 電氣分解에 成功했다. 물의 電氣分解에 刺戟된 한 프리・데이비는 1806年에 「結合의 電氣化學的假設」을 發表해, 다음 1807年에는 水酸化칼륨의 電氣分解에 依해서 칼륨單體를 얻는 것에 成功했다. 한層 더 데이비는 같은 手法으로 나트륨・칼슘・strontium・바륨・마그네슘을 次例次例로 發見했다. 데이비의 硏究를 繼承한 마이클・패러데이는 한層 더 電氣分解의 硏究를 進行시켜 패러데이의 電氣分解의 法則을 始作해 여러가지 發見을 해, 電氣化學의 基礎를 쌓아 올렸다.
要素[]
電氣分解에서는, 電氣를 흘리기 爲한 電極, 電壓을 認可하기 爲한 直流電源, 電氣分解 하는 物質을 넣는 電解槽가 必要하다. 電氣分解液은 分解하고 싶은 物質을 溶媒에 녹인 溶液인가, 加熱해 融解시킨 溶解鹽이 利用된다.
電極[]
電極 가운데, 電源의 陰極과 接續하는 것을 陰極, 正極과 接續하는 것을 兩極이라고 부른다. 어노드의 本來의 意味는 陰이온이 接近해 오는 電極으로, 陰極은 陽이온이 接近해 오는 電極이다. 그 때문에, 本來 어노드・陰極이라고 하는 名稱은 電解電極 以外를 爲해서 利用되어서는 안 된다. 正極이나 陰極이라고 써 있는 일도 있지만, 正極과 陰極은 D.C.電源의+,-를 가리키는 것이어, 失手이다. 電極의 材質은 電氣分解의 生成物이나 過電壓에 큰 影響을 준다. 工業的으로는 廉價로 安定인 炭素電極이, 實驗用으로는 炭素外에 腐蝕되기 어려운 白金이나 돈等의 貴金屬電極이 잘 使用된다. 意味가 있는 反應速度를 얻기 爲해나, 選擇的인 反應을 일으키기 爲해서는 자주 電極 觸媒가 必要하다. 鎔度에 따라서는 가스擴散電極이 使用되기도 한다.
電源電壓[]
電氣分解에 必要한 電源電壓은, 目的物質의 標準電極電位나 네른스트의 式, 풀 베다 귀 그램等에서 計算되는 理論電解電壓에, 過電壓이나 液體의 電氣抵抗(溶液抵抗)을 더한 값이 된다. 反應의 種類에도 밤이, 一般的인 反應에서는 10볼트 以下의 電壓으로 充分히 進行한다. 理論電解電壓以下의 電壓에서는 電氣二重層의 充電에 使用되는 電流(비패러데이電流)가 조금 흐르는 것만으로 있지만, 電氣分解가 進行하는 電壓에 이르면 反應速度에 應한 電流(패러데이電流)가 흐른다. 電流値는 電極形狀이나 電解槽의 構造, 溫度, 分極等의 影響으로 變化한다.
電解槽[]
電解槽는, 用途에 맞추어 여러가지 形象이나 材質의 것이 利用된다. 溶液系의 電氣 分解에서는 호프만電量計나 U字管等 琉璃製의 것이, 溶解鹽電解에서는 耐熱性의 높은 세라믹스製의 柑堝나 電極을 兼한 金屬製의 柑堝가 利用된다.
電氣分解液[]
溶液系의 境遇, 가장 많이 利用되는 溶媒는 물이다. 물에 不溶의 物質等에서는 有機溶媒가 使用되어 아세트니트릴・벤조니트릴・鹽化메치렌・테트라 히드로프랑・炭酸프로필렌・디메틸폼아미드・지메치르스르호키시드가 자주 利用된다. 溶液抵抗을 低減 시키기 爲해, 反應性의 낮은 電解質(支持電解質)이 一般的으로 더해진다. 溶媒나 支持 電解質의 種類에 依해서 電氣分解의 生成物이 다른 境遇가 있다. 溶解鹽電解에서는, 目的物質外에 더하고, 다른 物質을 融劑로서 混材시키는 境遇가 있다. 홀・엘-法에서는 酸化알류미늄의 融點을 내리기 爲해서 氷晶石과 훅化나트륨이 融劑로서 더해진다.
用途[]
鍍金의 相當數는 電氣分解를 利用해 行해진다. 電氣分解液(鍍金液)으로서 重金屬이나 시안化物의 水溶液이 利用되는 境遇에는, 毒性에 注意가 必要하게 된다. 鑛業에 對해서는, 原料를 電氣分解하는 것으로 金屬을 얻는 電氣分解精練이 一般的으로 行해지고 있다. 銅에서는 硫酸銅水溶液의 電氣分解에 依해서 純度의 높은 銅(電氣銅)이 生産되고 있다. 알루미늄에서는 酸化알류미늄의 溶解鹽電解에 依해서 알루미늄 金屬을 얻는 홀・엘-法을 하고 있다. 물의 電氣分解는, 將來的인 에너지원으로서 期待되는 水素의 生産을 目標로 해, 硏究를 하고 있다. 太陽光發電이나 水力發電, 風力發電等에서 얻을 수 있던 電力으로 물을 電氣分解해, 얻을 수 있던 水素를 燃料電池로 發展에 利用하는 것으로, 自動車等에서의 二酸化炭素排出을 抑制하는 것이 可能해진다.