JP5764797B2 - 水の電気分解実験用キット - Google Patents
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Description
(1)簡易型の水の電気分解用具(非特許文献1,非特許文献2)では、実験器具の価格を廉価にすべく、ステンレスを電極として用いているが、その使用時において、気体捕集部となる試験管の下端の開口部が、電解液を収容する容器の底面に嵌められたゴム栓を貫通したステンレス棒(電極)を、上から覆いかぶせるような配置にさせ、電解液として、硫酸ナトリウム溶液や硫酸カリウム溶液といった安全な中性溶液を用いたときには、陽極で起こる酸化反応が、酸素が発生する反応だけではなく、ステンレス中の鉄が酸化されて、鉄イオンが電解液中に溶出する反応も起こるので、電極での水素、酸素の発生する体積は、ファラデーの法則から求められる水素、酸素の理論的な値との差は大きくなる。このことからステンレスを電極として用いる場合には、電解液として、取り扱い上危険性は高いが、鉄の酸化反応が抑制される水酸化ナトリウム溶液を使用することになり、このことは教育現場の生徒に危険な実験をさせることになる。
(2)ステンレス電極ではなくニッケル電極を使えば、白金電極ほどではないとしても、電解液として、硫酸ナトリウム溶液や硫酸カリウム溶液といった安全な中性溶液を用いたときでも、陽極でニッケルが酸化されてニッケルイオンが電解液中に溶出する量は極めて少ないので、実験で得られる水素、酸素の体積は、ファラデーの法則から求められる水素、酸素の理論的な値からの誤差は小さい。しかしニッケル板を簡易な電気分解実験用具(非特許文献1,非特許文献2)のステンレス電極の代わりに使うと、すなわちニッケル板を、気体捕集部となる試験管の下端の開口部に嵌められたゴム栓を貫通させて電解液に浸漬させるとき、ニッケル板が貫通するゴム栓の切れ目の部分から電解液が漏れるので、電解液中でニッケル板を電極として電気分解する場合、電極としてのニッケル板全体を電解液中に浸漬させ、それに接合するリード線も電解液中に浸漬させるも、リード線として例えば銅線が用いられたとき、その内部の銅が電解液と接触して銅が酸化されて銅イオンとなって溶出しないようにする工夫が必要である。
(3)上記のことに配慮しながらニッケルを電極として、リード線として、例えば、銅線が用いられたとき、電解液が銅線と接触しないように工夫ができれば、あるいは、リード線として、電解液と反応しにくい金属線(ニッケル線など)を使用すれば、電解液として、危険な水酸化ナトリウム溶液ではなく、硫酸ナトリウム溶液や硫酸カリウム溶液といった安全な中性溶液を用いて電気分解実験を行っても、実験結果の理論値からの誤差は小さい。しかし、さらに正確さを求めるためには、電解液として水酸化ナトリウム水溶液を使用した場合の方が、中性の電解液を使用したときと比較して、電気抵抗が小さくなり、陽極のニッケルがより酸化されにくく、過酸化水素も生成されにくいなどの利点がある。電解液として水酸化ナトリウム水溶液を使う場合は、次のような点が課題となる。
(i)ホフマンの電気分解用具および簡易な電気分解実験用具のいずれも、気体捕集部でもあるガラス管または試験管の開口部に嵌められたゴム栓が該ガラス管または該試験管の下端にあるそのため、それらの電気分解用具で実験するときは、ゴム栓が緩んだり外れたりしたとき、電解液が下に流れ出て実験台の上に流れないように、安全のため装置全体をバットの中に置いて行う必要がある。
(ii)これに対する1つの方法として、該ガラス管または該試験管の開口部に具備する密閉手段を、その下端ではなく、その上端に具備させ、該密閉手段(ゴム栓)に電極に接合したリード線を密閉手段に貫通させ、外部へ延在させるようにすれば、ゴム栓が緩んだり、あるいは外れたりしても、電解液は漏れ出ることはなく、実験用具の下にバットを置く必要がない。リード線を貫通させた密閉手段をガラス管の上端に具備できるようにするためには、該ガラス管内で、電極に接合するリード線は電解液中に浸漬するも、リード線としてニッケル線などの電解液と反応しにくい金属線を用いるか、リード線として銅線を用いるときには、その内部の銅が電解液と全く接触しないようにすることが必要である。また、リード線が該ガラス管内で、ガラス管上部に集積した気体の部分の中を通過して、ゴム栓の下方から貫通する部分で、外部から空気が全く侵入しないようにすることが必要である(ホフマンの電気分解実験用具、簡易型などの従来からの水の電気分解実験用具では、該ガラス管の下端にリード線の貫通する密閉手段を有し、密閉手段の上に電解液が滞留しているので、その必要はない)。これらのことの実現は容易ではなく、それを有効的な方法で実現させている実験用具はまだ市販されていない。
(iii)また別の方法として、電気分解実験の通電前にガラス管内を電解液で満たした上で、ガラス管の下端の開口部を、容器の中に保持された電解液の中の所定の深さまで浸し、ガラス管内に内在した電極のリード線を、ガラス管の開口部を越えて外部に延在させる方法も考えられる。
(4)水の電気分解実験の前準備段階において、電気分解に供される電解液を、電気分解が生じる空間である垂直に保持された透明なガラス管内に完全に充満させる操作は生徒にとって難しく、また以下のような危険な側面がある。
(i)ホフマンの電気分解実験用具の場合は、液だめおよびセントラルチューブに収容された電解液の液面と、垂直に保持された透明なガラス管内に一部侵入した電解液の液面との間の高低差による水圧でもって、当該ガラス管の下側から重力に抗して上向きに充満させる方法は、当該ガラス管内に侵入する電解液の液面の上昇を制御することが容易ではない。生徒は、当該ガラス管内を強塩基性の電解液で完全に充満させると同時に、当該ガラス管の上端のコックを閉じ、その電解液がオーバーフローしないようにすることが求められる。もし生徒が、強塩基性溶液を当該ガラス管の上端からオーバーフローさせてしまったときには、強塩基性溶液が生徒の手に触れ、眼に入る危険性(失明の危険性)がある。(ii)簡易な電気分解実験用具としての、非特許文献1、非特許文献2においては、ホフマンの電気分解用具に具備されているような、液だめおよびセントラルチューブを備えていないので、当該容器に電解液を所定の深さまで入れ、手の指等で当該完全開放端を抑えながら当該円筒状体の上下を反転させ、その状態を維持しつつ、当該容器に入っている電解液の中で開放端を手の指等で抑えることが必要なので、生徒の手が危険な水酸化ナトリウム水溶液に触れる。
(5)電気分解の結果生ずる気体であって垂直に保持された透明なガラス管内の上部に集積した気体の性質を確かめるために当該気体をガラス管の外部に取り出す操作は難しい。具体的には、ホフマンの電気分解実験用具の場合は、液だめおよびセントラルチューブを持ち上げて、その中に収容された電解液の液面の高さを垂直に保持された透明なガラス管内の電解液の液面の高さよりも高くすることでこれらの二つの液面の間の高低差による水圧でもって、後者の液面の位置を押上げながら、当該気体をガラス管の上端に設けられた開閉自在の通気路を介して試験管などの中に移し取る移転方法は、極めて難しい。非特許文献1,非特許文献2のいずれの場合においても、電極表面で発生した気体は、該円筒状体の上端部に集積するが、非特許文献1,非特許文献2の場合は、上端に開閉手段を有しないので、上端部に集積した気体を外部に取り出すことは極めて難しい。
(6)ホフマンの電気分解用具および簡易な電気分解用具では、電極間の距離は固定されているので、気体の発生速度は制限される。具体的には、ホフマンの電気分解用具での各電極での水素、酸素の発生速度が小さいのは、電極として白金が高価であるので表面積の小さなものを使わざるを得ないということの他、発生する水素、酸素の気泡が混じり合わないようにするため、また中央連結管の中央にセントラルチューブに接続するためにノズル設けているので、電極を内在させる、垂直の2つのガラス管の位置、従って陽極、陰極の電極間を5〜7cmの距離で離して固定せざるを得ないことに起因している。
(7)ホフマンの電気分解実験用具およびH型電気分解用具のガラス管は、複雑なH字形であるので、電気分解の実験終了後、電解液が付着した該ガラス管の内部は大変洗浄しにくい。
(8)電気抵抗が小さくなるように相互の電極間の距離を極めて短く(多くは1mm以下)固定させ、また相互の電極間に薄い隔膜を間挿して陰極、陽極で発生する水素、酸素が混じり合わないようにし、電気伝導度の小さい水道水を電解液として使用する水の電気分解実験用具(特許文献1、非特許文献3)の場合は、危険な強塩基性の水溶液を電解液として用いる必要がないという点は長所であるが、電極の表面で水素ガス又は酸素ガスが生成して、それらが別個の気体捕集管内に集められるプロセスが見てわかりにくく、また、その用具を使用して一般的な塩基や塩の水溶液を電解液として使用した場合には、電気分解実験の際に、相互の電極間に電流が流れすぎて、電源に過剰な負荷がかかり、電源が損傷する危険性がある。
と言う従来認識されていない潜在的な課題をそれぞれ初めて認識・特定した。
(a)電解液として、水酸化ナトリウムのような強塩基性で危険な溶液を使わないでも、硫酸ナトリウム溶液や硫酸カリウム溶液といった安全な中性溶液中でも、酸化されにくいニッケル板を電極として電気分解すると、陽極のニッケルは陽イオンとして溶出する量は極めて少ないので、それによる実験結果はファラデーの法則から計算される理論値からの誤差は小さい。
(b)ニッケル板を電極として電気分解実験を行う場合、透明な筒状体の内部の下端近くに位置する電極に接合するリード線は金属線とし(銅線を使うときは外径が約1mmあると剛性があって、小さなゴム栓の穴にも密着して通しやすく、また熱収縮チューブまたは樹脂で被覆しやすい)、それを透明な筒状体の上端または下端の密閉手段(ゴム栓)を貫通させる。リード線の、透明な筒状体内にあって電解液と接する可能性のある部分は熱収縮チューブまたは樹脂で被覆し、また金属線が透明な筒状体の該開口部の密閉手段(ゴム栓)を貫通する部分では、金属線が電解液に接触しないように、また外部の空気が透明な筒状体内に侵入するのを完全に防ぐために、金属線を被覆する熱収縮チューブまたは樹脂と該密閉手段(ゴム栓)との接合面を接着剤で接着し、完全に被覆する。金属線をゴム栓に通しただけでは、その部分で外部から空気が侵入する。ゴム栓の細い穴に密着して通すことのできる線は、表面が硬くてなめらかで、剛性があることが必要で、ビニール被覆線のような表面が軟らかい物質で覆われた線は、通すことはできない。
(c)ホフマンの電気分解用具および簡易な電気分解用具(非特許文献1,非特許文献2)ではいずれもリード線が貫通している密閉手段(ゴム栓)が気体捕集部となる透明な筒状体の下端に具備されているが、該密閉手段を透明な筒状体の上端に具備させれば、該密閉手段(ゴム栓)が緩んでいても、あるいは開口部から外れても、電解液が強塩基性の溶液である場合でも、それが下方に流れ出ることはないので生徒たちに危険はない。
そのようにすれば、電極に接合したリード線は、透明な筒状体の上端の密閉手段(ゴム栓)を越えて延在させることになり、透明な筒状体の下端の開口部は開放され、電極およびリード線もないので、2つの透明な筒状体に内在する陽極と陰極間の距離を5〜7cmも離して固定させる必要はなく、電極を内在する2つの透明な筒状体を垂直方向に近接させることで、電極間の距離を小さくでき(この場合、電極間の距離は約2cmになる)、しかも透明な筒状体の管壁があるため水素および酸素の気泡は混じりあうことはなく、この場合、電極、熱収縮チューブまたは樹脂で被覆されたリード線を内在させた2つの透明な筒状体を、どこにでもあるビーカーの中の電解液に浸漬させるだけで、極めてシンプルな水の電気分解用具を構成でき、また、ホフマンの電気分解実験用具の中央連結管や、透明な筒状体内の開口部を浸す電解液を収容するための特別の容器も必要でないので、実験終了後の、その電解槽内部の洗浄は極めて容易である。
(d)ホフマンの電気分解用具および簡易な電気分解用具(非特許文献1,非特許文献2)では、リード線が貫通している密閉手段(ゴム栓)が気体捕集部となる透明な筒状体の下端に具備されているので、下端にある該密閉手段(ゴム栓)が緩むと、あるいは開口部から外れると電解液が下方に流れるが、その一方、リード線が貫通している密閉手段(ゴム栓)の上部に電解液が存在するので、金属線が透明な筒状体の該開口部の密閉手段(ゴム栓)を貫通する部分では、外部の空気は透明な筒状体内に侵入しない。
(e)水の電気分解実験の前準備段階において、垂直に保持された細長いガラス管内を電解液で完全に充満させるに際して、従来技術の常識に反して、垂直に保持された細長いガラス管内において未だ電解液で充満されていない空間を、当該ガラス管の上端に設けられた開閉自在の通気部を介してシリンジ等で減圧することで、中学・高校等の教育現場の生徒であっても、当該ガラス管内に侵入する電解液の液面の上昇速度を容易にかつ正確に制御することが可能となり、また、当該ガラス管内を電解液で完全に充満させるときに、当該ガラス管の上端から通気部を通して電解液がオーバーフローさせてしまっても、生徒がそのオーバーフローした電解液に一切手を触れることなくシリンジ等の中に吸引することが可能となり、その結果、電解液が強塩基性溶液であっても、実験操作に熟練していない生徒でも簡易に、かつ、安全に、垂直に保持された透明なガラス管内に強塩基性溶液を充満させることができる。
(f)垂直に保持された透明なガラス管内の上部に集積した気体の性質を確かめるために当該気体をガラス管の外部に取り出すに際して、当該ガラス管の上端に取り付けられた三方活栓または二方活栓のテーパーメス部(内側の形状は、医療用に使われるために、シリンジの流出部である先端突起部にぴったり嵌合するように構成されている)に、外径4mm、内径2mm、適当な長さ(一例として約20cm)のシリコーンゴム製チューブの一端を軽く押し込み、その反対側の端をシリンジの先端突起部につないで、集積した気体をシリンジ内に吸引する操作は、実験操作に熟練していない生徒にも簡易に行うことができる操作である。
(g)このような構造の電気分解用具で、硫酸ナトリウムや硫酸カリウムの中性溶液中でも酸化されにくく、かつ廉価なニッケル板を電極に用いたとき、通常の50分前後の授業時間内で、ファラデーの法則を確かめるために十分な量の水素、酸素を得ることができ、またホフマンの電気分解実験用具にも劣らない精度で、ファラデーの法則から得られる理論値に近い、水の電気分解の実験結果を得ることができる。
ということを発見し、これらの総合的な知見に基づいて、本発明を成したのであります。
該気体吸引手段は、該三方活栓または二方活栓のテーパーメス部に着脱自在に嵌合できるように構成されていることを特徴とする水の電気分解実験用キットである。
Claims (3)
- 水の電気分解実験用キットであって、
少なくとも一つの電気分解反応槽と、
一つの気体吸引手段とを含み、
該電気分解反応槽は、下端が開口し、上端が密閉手段で密閉された透明の筒状体と、該筒状体の内部に配置された電極と、該電極に接合されたリード線とを有し、
該密閉手段は、テーパーオス部及びテーパーメス部を有する三方活栓または二方活栓を有し、
該リード線は、該密閉手段を気密的に貫通してその一部が該筒状体の外部に延在し、少なくとも該筒状体内部で延在する部分が熱収縮チューブまたは樹脂で被覆され、かつ、該電極との接合部が接着剤で被覆され、
該気体吸引手段は、該三方活栓または二方活栓のテーパーメス部に着脱自在に嵌合できるように構成されている
ことを特徴とする水の電気分解実験用キット。 - 水の電気分解実験用キットであって、
連結部を有する一対の電気分解反応槽であって、該連結部を介して相互に流体連通した一対の電気分解反応槽と、
該連結部と流体連通したチューブと、
該チューブと流体連通した液だめと、
一つの気体吸引手段とを有し、
該一対の電気分解反応槽のそれぞれは、下端が該連結部の一端と流体連通的に連結され、上端が密閉手段で密閉された透明の筒状体と、該筒状体の内部に配置された電極と、該電極に接合されたリード線とを有し、
該連結部は、該一対の電気分解反応槽を同一平面内で相互に並列に保持するように構成され、
該密閉手段は、テーパーオス部及びテーパーメス部を有する三方活栓または二方活栓を有し、
該リード線は、該密閉手段を気密的に貫通してその一部が該筒状体の外部に延在し、少なくとも該筒状体内部で延在する部分が熱収縮チューブまたは樹脂で被覆され、かつ、該電極との接合部が接着剤で被覆され、
該気体吸引手段は、該三方活栓または二方活栓のテーパーメス部に着脱自在に嵌合できるように構成されている
ことを特徴とする水の電気分解実験用キット。 - 上記密閉手段が、貫通孔を有するゴム栓又は樹脂栓と、テーパーオス部及びテーパーメス部を有する三方活栓又は二方活栓とを含み、該テーパーオス部が該貫通孔に嵌合されていることを特徴とする請求項1〜2のいずれか1項に記載の水の電気分解実験用キット。
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