電解セル

電解セルは、外部の電気エネルギー源を利用して、通常は発生しない化学反応を強制的に起こす電気化学セルです。 ^{[1] : 64, 89  [2] : GL7}外部エネルギー源は、電解液に浸されたセルの 2 つの電極、つまり陽極(正に帯電した電極) と陰極(負に帯電した電極)の間に適用される電圧です。 [ 1 ^{] : 89  [3] [ページが必要]}これは、それ自体が電気エネルギー源であり、バッテリーの基礎であるガルバニセルとは対照的です。^{[1] : 64}ガルバニセルで発生する正味の反応は自発的な反応です。つまり、ギブスの自由エネルギーは -ve のままですが、電解セルで発生する正味の反応はこの自発的な反応の逆です。つまり、ギブスの自由エネルギーは +ve です。^{[3] [ページが必要]}

電解セルでは、外部電圧によってセルに電流が流れ、非自発的な化学反応が進行します。ガルバニセルでは、自発的な化学反応が進行することで電流が流れます。平衡電気化学セルは、電解セルとガルバニセルの中間の状態にあります。自発的な反応が外部回路に電流を押し出す傾向は、逆起電力によってちょうどバランスが取れているため、電流は流れません。この逆起電力が増加するとセルは電解セルになり、減少するとセルはガルバニセルになります。^{[4] : 354}

電解セルは、電解質と 2 つの電極 (陰極と陽極) の 3 つのコンポーネントから構成されます。電解質は通常、イオンが溶解している水またはその他の溶媒の溶液です。塩化ナトリウムなどの溶融塩も電解質として機能します。電極に外部電圧を印加すると、電解質内のイオンが反対の電荷を持つ電極に引き寄せられ、電荷移動 (ファラデー反応または酸化還元反応とも呼ばれる) 反応が起こります。正しい極性と十分な大きさの外部電位(つまり電圧) がある場合にのみ、電解セルは溶液内の通常は安定している、つまり不活性な化合物を分解できます。供給される電気エネルギーにより、そうでなければ自然には起こらない化学反応を起こすことができます。

マイケル・ファラデーは、電池の陰極を、陽イオン（銀イオンAgなどの正に帯電したイオン）が結合する電極と定義しました。⁺
）がセル内を流れ、その電極からの電子（負に帯電）と反応して還元される。同様に、彼は陽極を陰イオン（塩化物イオンClのような負に帯電したイオン）が流れる電極と定義した。⁻
) がセル内を流れ、電極に電子を沈着させることで酸化されます。電気回路を形成するガルバニ電池 (またはバッテリー) の電極に接続された外部ワイヤでは、カソードがプラス、アノードがマイナスになります。したがって、ガルバニ電池の場合、外部回路を介して正の電流がカソードからアノードに流れます。

電解セルは、電気分解と呼ばれるプロセスで化合物を分解するためによく使用されます。electroは電気を意味し^[5]、ギリシャ語のlysisは分解することを意味します。電気分解の重要な例としては、水が水素と酸素に分解されることや、ボーキサイトがアルミニウムやその他の化学物質に分解されることが挙げられます。電気メッキ（銅、銀、ニッケル、クロムなど）は、電解セルを使用して行われます。電気分解は、直流（DC）を使用する技術です。

商業的には、電解セルはいくつかの非鉄金属の電解精錬および電解採取に使用されています。高純度のアルミニウム、銅、亜鉛、鉛のほとんどは、電解セルで工業的に生産されています。

すでに述べたように、水は、特にイオンが加えられた場合（塩水または酸性水）、電気分解（電気分解を受ける）することができます。外部電圧源によって駆動されると、水素（H⁺
）イオンは陰極に流れ、電子と結合して還元反応で水素ガスを生成します。同様に、水酸化物（OH⁻
）イオンは陽極に流れて電子と水素（H⁺
）イオンと反応して酸化反応で酸素ガスを生成します。

溶融塩化ナトリウム（NaCl）では、電流が塩に流れると陽極が塩化物イオン（Cl⁻
）を塩素ガスに変換すると、陽極に電子が放出されます。同様に、陰極はナトリウムイオン（Na⁺
）、カソードから電子を受け取り、それをカソード上に金属ナトリウムとして堆積します。

水に溶解した塩化ナトリウムも電気分解することができます。陽極は塩化物イオン（Cl⁻
）となり、塩素（Cl ₂）ガスが発生します。しかし、陰極では、ナトリウムイオンが金属ナトリウムに還元される代わりに、水分子が水酸化物イオン（OH⁻
) と水素ガス (H ₂ ) を生成します。電気分解の全体的な結果として、塩素ガス、水素ガス、および水酸化ナトリウム(NaOH) 水溶液が生成されます。

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