水の電気分解で生じる水素と酸素は、同じ温度・圧力で体積を比べると2対1になります。ここで、ノートに「水素：酸素＝2：1」だけを書いて終わらないでください。何の比なのかを書き落とすと、そのまま重さまで2対1にしてしまいます。
さらに、発生した量と、容器で読んだ量が同じとは限りません。装置内に残った空気、外へ漏れた気体、水に溶けた分などを考える必要があります。本稿では、水素と酸素の体積を比べる条件と、記録から取り出してよい数字を整理します。
まず、左右よりも電源につながる極を見る
水を適切な条件で電気分解すると、電源のマイナス側につながる陰極に水素、プラス側につながる陽極に酸素が生じます。教科書の装置で水素が左にあったとしても、「左が水素」という覚え方にはしません。配線を逆に描けば、図の左右と極の対応も変わります。
電源の符号から導線を指でたどり、電極まで線を追う。次に、その電極の上へ集まる気体の名前を書く。この二段階で整理すれば、装置が横向きになった図でも読み直せます。記号の見た目だけで決めず、つながっている先を根拠にしましょう。
なお、純粋な水は電気を通しにくいため、学校実験では通電しやすくするための物質を加えることがあります。何でも加えてよいわけではなく、液体や電極によっては別の反応になります。ここは装置図を読む記事で、家庭での実施手順ではありません。問題が指定した水の電気分解の条件に限って考えます。
「二つ分」と「一つ分」は、同じ物差しで比べる
たとえば、水素が40mL、酸素が20mL発生したなら、体積比は40：20＝2：1です。合わせた60mLのうち、水素が三つ分の二つ、酸素が三つ分の一つに当たります。液体だった水が60mL減ったという意味ではありません。
同じmLでも、液体の水と気体の体積をそのまま足し引きしてはいけません。分解の前後で物質の重さは保存されますが、状態が変わると占める体積は大きく変わります。また、同じ体積の水素と酸素でも重さは異なります。体積の比例式から重さを求めたいなら、それぞれの気体の体積と重さの関係が、追加の条件として必要です。
温度や圧力が違う場合にも注意します。熱い気体と冷えた気体の読みを、そのまま2対1へ当てはめるのは適切ではありません。体積の条件をそろえるという一文は、おまけではなく、その比を使うための前提です。
例題1｜合計から分けるとき、2で割らない
水の電気分解だけが起こり、生じた気体を漏れなく別々に集めました。空気の混入や水への溶解は無視でき、温度と圧力は同じです。水素と酸素の合計体積が90mLなら、それぞれ何mLでしょう。また、この情報だけで水素と酸素の重さを2対1と言えますか。
答え・解説： 水素60mL、酸素30mLです。比の合計は2＋1＝3なので、一つ分は90÷3＝30mL。水素は二つ分の60mLになります。2対1の「2」を見て90÷2とすると、合計を分ける基準を取り違えます。ここで与えられた比は体積の比であり、重さを2対1とすることはできません。
この計算では、先に「何を三つに分けるのか」を言葉にしています。90は水素だけの体積ではなく、二種類を合わせた体積です。数字を式へ入れる前に対象を言えると、同じ2対1でも問題文による違いを見分けられます。
例題2｜最初から入っていた気体を除く
架空の測定記録を考えます。二つの回収容器には、測定開始時点ですでに気体がそれぞれ6mLずつ入っていました。その後、新しく発生した気体だけが加わり、最後の読みはマイナス側46mL、プラス側26mLになりました。開始時の気体の体積は変化せず、漏れや溶解を無視すると、新しく増えた気体の体積比はいくらですか。
答え・解説： マイナス側は46−6＝40mL、プラス側は26−6＝20mL増えました。増加分の比は40：20＝2：1です。最後の読み46：26を約分した23：13は、最初からあった分まで含めた比で、水の分解で増えた量の比ではありません。
ただし、実際の記録で比がずれているからといって、理由を知らずに数字を引いて2対1へ直してよいわけではありません。この例で6mLを引けるのは、開始時の読みと、その分が変わらない条件が与えられたからです。原因が不明なら、測定方法を調べ直す段階へ戻ります。
比が合うことと、気体の名前を確定すること
二つの体積がたまたま2対1だったことだけで、未知の気体を水素と酸素だと決めることもできません。水の電気分解を行ったという実験条件、極との対応、気体の性質などを合わせて判断します。「知っている比に似ている」は手がかりですが、それだけで物質の名前が保証されるわけではないのです。
気体を集めるときの最初の空気では、装置にもともとあるものを整理しています。今回の開始時の読みも、同じように背景の量を確かめる問題です。一方、燃料電池と電気分解の違いは、水素・酸素・水と電気がどちらへ移るかを扱います。反応の向きを説明できたら、今度は測定欄の数字が何を含むかまで見てください。