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アノードとカソード、正極と負極…:電気化学反応の用語

電気化学反応の用語

電気化学反応には大きく二種類あります.

一つは電池.物質の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに変換して使用します.もう一つは電気分解.自発的には起こらない化学反応を電気エネルギーによって起こします.その他、光や熱を用いた反応もありますが、大枠は変わりません.

こうした反応を考えるにあたって、問題となるのは用語です.

正極負極アノードカソードは電池と電気分解どちらにも登場する用語ですが、何を指すかを理解していますか?

 

正極と負極、アノードとカソード、陽極と陰極

まずは実際の反応系の例を見てみましょう.

いずれにおいても外部回路で接続された一対の電極(電子伝導体)電解質(イオン伝導体)によって分断されています.電解質は各電極のある部屋ごとに仕切られている場合が多いです.

アノードとカソード(Anode and Cathode)

アノード・カソードは起こる反応に着目した分類です.

酸化反応が起こるほうがアノードであり、ギリシャ語で上り坂を意味します.
アノード(Anode)に向かって移動するイオンがアニオン(Anion)です.

還元反応が起こるほうがカソードであり、ギリシャ語で下り坂を意味します.
カソード(Cathode)に向かって移動するイオンがカチオン(Cation)です.

  アノード: \rm{Red → Ox + e^-}

  カソード: \rm{Ox + e^- → Red}

正極と負極

正極・負極は電位に着目した分類です.

電位が高い方(プラス)が正極低い方(マイナス)が負極です.

電流は電位の高い方から低い方へ流れ、反対に電子は電位の低い方から高い方へ流れます.

陰極と陽極

陰極・陽極は中学・高校で習う概念ですが、(たちの悪いことに)いくつかの流派があり定義が定まっていません.

 

例えば、「Weblio辞書」で「陰極」のページを見てみましょう

デジタル大辞泉では、以下のように書かれています.

対となる二つの電極のうち、電位の低いほうの電極。負の電極。負極。マイナス極。⇔陽極。

ゆえに、負極と陰極は同じということのようです.

 

一方、電気化学用語集では以下のように記述されます.

カソードともいう。電気化学的還元反応が起きる状態にある電極。

すなわち、陰極はカソードと同じ意味のようです.

つまり、陰極=負極=カソード?

 

残念ながら負極とカソードは全く別の概念です.以下で見ていくように電池の充電・放電や電気分解において負極とカソードは別の電極を指しています

このような混乱の状況は1952年に刊行された技術資料でも指摘されています.[a,b]

 

実際に陽極・陰極という用語が使用されるときはどのような場合でしょうか.電気分解反応では電位の高低で陽極・陰極を区別します.ゆえに、電気分解では陽極=正極、陰極=負極

一方、電池反応では電子が流れ出すか流れ着くかで区別します.ゆえに、電池反応ではカソード=陽極、アノード=陰極

 

ややこしいわ!

 

現在のところ「アノード・カソード」と「正極・負極」の概念だけで事足りるので、「陽極・陰極」のワードはいらないんじゃないかと思います.

結果として、いずれの反応においても「正極=陽極」、「負極=陰極」となるのでそのように覚えてしまって良いかもしれません.

 

具体例

以上をもとに、具体的な例をもとに見ていきましょう.

ダニエル電池

ダニエル電池は \rm{Zn}極と \rm{Cu}極から構成され、以下の2種類の反応が起こります.

(1) \rm{Zn → Zn^{2+} + 2e^-}
(2) \rm{Cu^{2+}  + 2e^- → Cu}

(1)では \rm{Zn}が電子を失っているので酸化反応です.そのため、 \rm{Zn}極の方がアノードとなります.

また、 \rm{Zn}極で電子が生成して \rm{Cu}極の方へ向かっているので、電位は \rm{Zn}極が負、 \rm{Cu}極が正です.それゆえ、 \rm{Zn}極が負極、 \rm{Cu}極が正極です.

 

鉛蓄電池

二次電池である鉛蓄電池では放電と充電で逆の反応が起こります.電池は \rm{Pb}極と \rm{PbO_2}極から構成されます.

放電反応
(1) \rm{Pb + SO_4^{2-} → PbSO_4 + 2e^-}
(2) \rm{PbO_2 + 4H^+ + SO_4^{2-} + 2e^- → PbSO_4 + 2H_2O}

ダニエル電池と同様の考え方により、 \rm{Pb}極がアノードであり負極です. \rm{PbO_2} 極がカソードであり正極です.

充電反応
(1’) \rm{PbSO_4 + 2e^- → Pb + SO_4^{2-}}
(2’) \rm{PbSO_4 + 2H_2O → PbO_2 + 4H^+ + SO_4^{2-} + 2e^-}

充電反応では放電反応と逆の反応が起こります.

今度は \rm{Pb}極で還元反応が起こるので \rm{Pb}極はカソードとなります.逆に、 \rm{PbO_2}極で酸化反応が起こるので \rm{PbO_2}極はアノードです.

電子は \rm{Pb}極から \rm{PbO_2}極に向かって流れますが、間に電源が挟まるので電位は \rm{Pb}極の方が高いです.ゆえに、 \rm{Pb}極が正極、 \rm{PbO_2}極が負極です.

放電反応と比べると、アノードとカソードは入れ替わり、正極と負極は変わりません.

塩水の電気分解

最後に電気分解反応を見ていきます.といっても、起こっていることは電池の充電反応と同じことです.

(1) \rm{H_2O + 2e^- → 2OH^- + H_2}
(2) \rm{2Cl^- → Cl_2 + 2e^-} 

(1)がカソード、(2)がアノードです.かつ、(1)が負極、(2)が正極です.

まとめ

以上をまとめると以下のようになります.

 電池放電:アノード=負極=陰極、カソード=正極=陽極
 電池充電:アノード=正極=陽極、カソード=負極=陰極
 電気分解:アノード=正極=陽極、カソード=負極=陰極

ややこしいですが、図を書いて整理するとおぼえやすくなります.

参考文献

「陰極(いんきょく)」の意味や使い方 わかりやすく解説 Weblio辞書

「陽極」の意味や使い方 わかりやすく解説 Weblio辞書

[a] 陽極と陰極

[b] 陽極と陰極