最終更新: 2026-06-16

ファラデーの電気分解の法則を理解する

電解質に電流が流れると、電極でイオンが還元または酸化され、物質が析出または遊離します。マイケル・ファラデーは 1830 年代に、反応する物質の量が、流れた電気量だけで決まることを示しました。

ここで電気量は電流と時間の積そのもの、$Q = I \, t$ です。すなわち $I$ アンペアの定常電流が $t$ 秒流れると、$I \, t$ クーロンが流れます。

ファラデー定数 $F$ は、1 モルの電子が運ぶ電気量です。電気量を $n \, F$ で割ると反応した物質のモル数が得られ、これにモル質量を掛けるとモル数が質量に換算されます。

計算例

銅の電気めっきセルが $I = 2\ \text{A}$ で 30 分間動作します。銅はどれだけ析出するでしょうか。銅は $\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}$ から析出するので $n = 2$、モル質量は $M = 63.55\ \text{g/mol}$ です。

まず、流れた電気量を、時間を秒に直して（$30\ \text{min} = 1800\ \text{s}$）求めます。

次に析出する銅のモル数です。

最後に質量です。

つまり、およそ 1.19 g の銅が析出します。

なぜ電気量が質量を決めるのか

電極に到達する各イオンは、回路から決まった数の電子を受け取ります。1 個の $\text{Cu}^{2+}$ イオンの還元には 2 個の電子、1 個の $\text{Ag}^+$ イオンの還元には 1 個の電子が必要です。したがって析出するイオンの数は、供給された電子の数を $n$ で割ったものであり、供給された電子の数は、電気量の合計を電子 1 個の電荷で割ったものにすぎません。個々の粒子ではなくモルで数えると、析出するモル数は $Q / (n \, F)$ に等しくなります。電極の面積も電圧も濃度も、この数には一切関わりません。関わるのは流れた電気量だけです。

価数の影響

$n$ が分母にあるため、より多くの電子を必要とするイオンは、同じ電気量に対してより少ない金属しか生みません。下の表は、3,600 C の電気量によって析出する 3 つの一般的なめっき金属の質量を示します。

銀はイオン 1 個あたり 1 個の電子しか必要としないため、アルミニウムの方が軽い元素であるにもかかわらず、クーロンあたりではるかに多くの質量を析出させます。

実際の応用

電気めっきや電解精錬では、この法則は両方向に使えます。電流と時間が与えられれば被膜の質量を予測でき、その質量をめっき面積と金属の密度で割れば被膜の厚さが得られます。逆向きに計算すれば、目標の質量に達するために必要な電流や運転時間を決められます。実際のセルは理想よりわずかに及びません。電気量の一部が気体発生などの副反応を駆動するためで、目的の生成物を実際に析出させる電気量の割合を電流効率といいます。