電気化学の基礎-京都大学材質制御学研究室.PDFVIP

第４５回電気化学講習会 実験講習会 ～電気化学測定の基礎から応用まで～，電気化学会関西支部 （2015）より抜粋 電気化学の基礎 京都大学大学院工学研究科 邑瀬邦明 １．はじめに 電気化学（electrochemistry）は、電気分解や電池、防食といった材料科学的な側面だけでは — — なく、物質から物質への電子の移動 すなわち酸化や還元 をともなうさまざまな現象、 たとえば生物の光合成や神経伝達などにもかかわる、広い学域をカバーする学問である。昨 今のエネルギー・環境問題を考える上でも重要なツールだが、学際に位置するがゆえに、化 学熱力学や反応速度論、物質移動、電磁気学など多様な思考が必要で、何ともとっつきにく い学問なのも事実である。筆者も学生のころ、電気化学を勉強しても興味が湧かず、実際に それが身についたのは、社会人になって実際に電気化学を使った研究をするようになってか らである。電気化学は、実際に実験してみないとイメージがつかめない部分が多々ある。 電気化学をどのように順序立てて勉強していくかは、永年の課題といえる。周辺部分たと えば電解質水溶液の物理化学あたりからこつこつ勉強するのは１つの方法で、多くの電気化 学の教科書もそのような構成になっている。しかし、そのようなアプローチでは、電気化学 の核心にたどり着く頃には息切れしてしまう可能性がある。学問的に取りこぼしなく順序だ てて説明していくと、かえって全体を見失い、わかりにくくなる面がある。 そんな電気化学を２時間の講義で理解あるいは復習するのは到底不可能である。本講義で は、電気化学の「イメージ」をつかんでいただくことを目標に、電気化学における熱力学的 側面 （すなわち「平衡論」）、速度論的側面 （すなわち「電子移動」と「物質移動」）、ならび に電気化学測定の基本となる三電極法の原理を概説する。参照電極を使った「電極電位」の 定義など、この分野独自の概念についても説明する。電気化学では様々な溶液を扱うが、本 稿では水溶液について述べる。非水溶液（有機溶媒や溶融塩など）も基本は同じである。 より深く電気化学を勉強したいに方は下記の参考書をすすめる。ただし、どの参考書も一 長一短があるので、ぜひ複数の参考書を読んでいただきたい。 ・渡辺 正，中林誠一郎 著，「電子移動の化学 — 電気化学入門」，朝倉書店，東京，1996． ・大堺利行，加納健司，桑畑 進 著，「ベーシック電気化学」，化学同人，京都，2000 ． ・藤島 昭，相澤益男，井上 徹 著，「電気化学測定法（上・下）」，技報堂出版，東京，1984. ・電気化学会 編，「電気化学測定マニュアル（基礎編・実践編）」，丸善，東京，2002. ・A. J. Bard and L. R. Faulkner, Electrochemical Methods — Fundamentals and Applications, 2nd Ed., Wiley, New York, 2001. 著 者：むらせ くにあき 連絡先：〒606-8501 京都市左京区吉田本町36-1 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 e-mail: murase.kuniaki.2n @kyoto-u.ac.jp – 1 – ２．電池の起電力と各種とりきめ 水溶液系の化学反応は、酸–塩基反応と酸化還元反応に大別することができる。初等化学で ブレンステッド ローリー 学んだように、酸–塩基反応とは水素イオン（プロトン）のやりとり（Brønsted-Lowry の定義） ル イ ス もしくは電子対のやりとり（Lewis の定義）による反応で、反応物を構成する元素の酸化数 は変化しない。これに対し、酸化還元反応は電子のやりとりをともなう反応である。やりと りされる電子を使って電気的な仕事を行わせる （たとえば電池として使う）ことができる。 ただし、仕