水の電気分解における酸素原子と水素原子の質量比（２０１９年埼玉）
ゆとり教育の前の入試問題には当たり前のように出ていた水の電気分解による水素と酸素の体積比や質量比。
２０２２年度の高校入試から、新学習指導要領改訂によりこれが復活する可能性があります。
すでに２０１９年度の埼玉県の入試には次のような問題が出題されました
水の電気分解装置
図３のような電気分解の装置を使うと、陰極には12.29㎝³、陽極には図３の液面で示す量の気体が発生しました。これらの気体について、それぞれの密度から水素は0.001ｇ、酸素は0.008ｇ発生したことが分かりました、
（１）陰極と陽極に発生した気体はそれぞれ何か。化学式で答えなさい。
（２）陰極と陽極での気体の発生について電子ｅ⁻を用いた式でそれぞれ書きなさい。
（３）陽極で発生した気体の体積を求めなさい。
（４）陰極と陽極の気体の体積の比を簡単な整数で答えなさい。
（５）酸素原子と水素原子の質量比を答えなさい
（６）（５）のように質量比が求められる理由を言葉で説明しなさい。
今まで出題されなかった理由
ゆとり教育でイオン、電子という言葉が中学校では長年、教育されてこなかった。
電離の化学反応式も学習してこなかった。
それが、２０２１年からいろいろ復活する。
水酸化ナトリウムは水の中で電離すると
ＮａＯＨ→Ｎａ⁺＋ＯＨ⁻
になる。
これを電気分解するのだから、陰極（マイナス極）にはプラスの電気を持ったＮａ⁺ナトリウムイオン、陽極（プラス極）にはマイナスの電気を持ったＯＨ⁻が近寄る。
ここで
ﾅﾄﾘｳﾑｲｵﾝは電子を受け取って
Ｎａ⁺＋ｅ⁻→Ｎａ・・・・・①
という反応が起こって、ナトリウムができると考えることができる。
しかし、実際にはそれは起こらない。
それは、Ｎａ⁺ナトリウムイオンはとてもイオンになりやすい物質で、水の中では単体のﾅﾄﾘｳﾑＮａとして取り出せないのである。
２０２１年に完全実施の新学習指導要領から、
「金属によってイオンへのなりやさすが異なることを見出して理解すること」
が付け加わった。
ﾅﾄﾘｳﾑｲｵﾝはイオンになりやすい金属であり、そのイオンの成りやすさは水素イオンより大きい。
このため、水素イオンが存在すると、
２Ｈ⁺＋２ｅ⁻ →Ｈ₂・・・・・・②
という反応が陰極では①よりも起こりやすい。
しかし、用いた溶液が水酸化ナトリウム水溶液なので水素イオンはとてもすくないりょうであり、②の反応も起こりにくい。では何が起こるか。
水が分解して 陰極では 水素発生
が起こる。水が分解するときに同時に水酸化物イオンＯＨ⁻が発生する。
Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＯＨ⁻
この式は、原子の数も違う、電気の数も違うので化学反応式としておかしい
まずは、電気の数は後回しにして、原子の数を合わせる。
Ｈ₂Ｏの係数を１とおく。
左辺のＯ酸素の数が１✕１となる。このことから、右辺の酸素も１になる。
（ここで最初にＨ水素を合わせないのは右辺で水素はＨ₂とＯＨ⁻と二つに分かれているため同時に係数を決めるのが難しいが、Ｏ酸素は右辺はＯＨ⁻水酸化物イオンだけなので、すぐ決まるから）
右辺のＯ酸素が１よりＯＨ⁻水酸化物イオンも１になる。
すると、ＯＨ⁻中の水素も１になる。
左辺の水素の数を見ると２個であり、右辺ではすでに１ＯＨ⁻で１個Ｈ水素が使われているので、Ｈ₂の水素も１個でなければならない。
２を何倍すれば１になるか、ということで½×２＝1と考える。
化学反応式の係数は簡単な整数比なので、全体を２倍して
２Ｈ₂Ｏ →Ｈ₂＋２ＯＨ⁻
次に電気の数を 電子ｅ⁻を加えることで合わせる
右側の電子の数が ２ＯＨ⁻ より ２である。
よって左側も、２ｅ⁻を足す。
２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ₂＋２ＯＨ⁻ ・・・③
これが陰極で起こっていることである。
次に陽極（プラス極）で起こっていること、マイナスの電気を持った陰イオンが近寄る
ＯＨ⁻が近づきＯ₂になるという反応が起こっている。
ＯＨ⁻ → Ｏ₂
水素の数が左が１あるのに右はない。原子は消滅しないので
水酸化物イオンから 陽極では酸素発生
ＯＨ⁻ → Ｏ₂ ＋ Ｈ₂Ｏ
これでも原子の数が会わないので原子の数を合わせていく。
左辺の水素の数を決めたので右辺のＨ₂Ｏの数が決まる。
右辺のＨ₂Ｏの数を決めたので、Ｏ₂の係数¼になる。
係数を整数なので 全体を４倍する
４ＯＨ⁻ → Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ
電子で電気の数を合わせるため、右辺に４ｅ⁻を書き加える。
４ＯＨ⁻→Ｏ₂＋４ｅ⁻＋２Ｈ₂Ｏ・・・④
③と④の式はこのように導くことができる。暗記した方が速いと思うかもしれないが、２０２２年度の高校入試から暗記では対応できなくなる可能性がある。
それは、新学習指導要領に
「電極で起こる反応をイオンのモデルと関連付けて行うこと」
となっているので、大日本図書の教科書「理科の世界３年」ｐ１８３にある図がそのままテストに出る可能性があるからである。
この分野は発展となっているからテストにはでないのではと思うかもしれないが、
実際に２０１９年に埼玉の公立高校入試に出題されているので、発展が出題されないことはない。
発展であっても、長い文章問題にして出題される可能性がある。
陽極と陰極に発生した気体
陽極はＯＨ⁻が電子を失い酸素Ｏ₂発生
陰極はＨ₂Ｏが電子を得て水素Ｈ₂発生
すごく紛らわしくてどっちがどっちだかわからなくなる。
それは、この水の電気分解が水酸化ナトリウム水溶液というアルカリ性の水溶液だからである、酸性の水溶液なら、プラスの電気を持った水素イオンＨ⁺があるので Ｈ⁺はマイナスの方に引かれる。ということで陰極で水素発生がイメージ出来て、逆側の陽極は酸素発生である。
これは電気泳動の実験でも同じである。
電気泳動の実験は水酸化ナトリウム水溶液を使ったものと塩酸を使ったものがある
水酸化ナトリウムを使ったもの
塩酸を使ったもの
陽極と陰極での化学反応式
陽極では
４ＯＨ⁻→Ｏ₂＋４ｅ⁻＋２Ｈ₂Ｏ・・・・④
陰極では
２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ₂＋２ＯＨ⁻ ・・・・③
大日本図書の教科書「理科の世界３年」ｐ１８３には
４Ｈ₂Ｏ＋４ｅ⁻→２Ｈ₂＋４ＯＨ⁻・・・⑤
と書いてある。簡単な整数比なら③が正しいはずなのになぜ簡単な整数比ではないの？
というと
陽極 ４ＯＨ⁻ → Ｏ₂＋４ｅ⁻＋２Ｈ₂Ｏ・・・④
陰極 ４Ｈ₂Ｏ＋４ｅ⁻→２Ｈ₂＋４ＯＨ⁻・・・・・⑤
で４ｅ⁻という電子の数を陽極と陰極でそろえるためである。そして④＋⑤をすると
４ＯＨ⁻＋２Ｈ₂Ｏ＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ⁻→Ｏ₂＋４ｅ⁻＋２Ｈ₂Ｏ＋２Ｈ₂＋４ＯＨ⁻
両辺で同じものを消すと
２Ｈ₂Ｏ → ２Ｈ₂＋Ｏ₂
になる。水分子２個が ２個の水素分子と１個の酸素分子になる。
これを示すために 教科書では③を２倍した形で書いてある。
化学反応式で書きなさいという問題では ③を書く。
問題の中に⑤のように係数が一部分でも書かれてある次のような問題
４Ｈ₂Ｏ＋（ ）ｅ⁻ → ２Ｈ₂＋（ ）ＯＨ⁻
の（ ）に当てはまる数字を答えなさい。
とあれば、４と答える。
気体の体積を図から求める
最近の出題では、目盛りの上で読み取る問題よりもこのような問題が多い。
下に行くほど値が大きくなる目盛りである
１目盛りは0.1ｍＬよりその十分の一 0.01ｍＬまで、目分量で読み取る。
ここでは6.1ｍＬと6.2ｍＬの間にあり、6.1ｍＬの目盛りの方が近い
6.14ｍＬと読める。
6.13ｍＬ、6.15ｍＬでも正解である。（測定誤差も正解になっている）
酸素と水素の体積比
陰極で発生した12.29ｍＬが水素
陽極で発生した6.14ｍＬが酸素」であるということが分かっていることが条件
水素：酸素＝12.29：6.14≒2：1
簡単な整数比で 水素：酸素＝2：１になる。
酸素原子と水素原子の質量比
酸素の質量が0.008ｇ、水素の質量が0.001ｇである。
埼玉県の問題では図４が与えられていて、原子の質量比を考えさせている。
水素のと酸素の気体の質量比は１：８である。水分子１つは水素原子２個と酸素原子１個からできているので、原子１個当たりの質量比で考えると0.5：8である。よって水素原子と酸素原子の質量比を簡単な整数比で表すと1：16となる。
これらの問題は高校レベルの問題である。（大学受験レベル）
しかし、電気分解の実験の過程で原理を見出し、理解するというのが２０２２年度からの学習指導要領なので、「次の文章を読んで、最も適するものを次の中から選びなさい」という問題では出る可能性が高い。
