⚡ カソード・アノードと酸化・還元
| 用語 | 電池（自発的反応） | 電気分解（外部電源あり） |
|---|---|---|
| カソード（cathode） | 正極・還元 | 陰極・還元 |
| アノード（anode） | 負極・酸化 | 陽極・酸化 |
✅ 「カソード = 還元、アノード = 酸化」は電池・電気分解ともに共通！
🔋 標準電極電位と起電力
E°cell = E°正極（カソード） − E°負極（アノード）
| 半反応 | E°（V） |
|---|---|
| Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn | −0.763 |
| 2H⁺ + 2e⁻ → H₂ | 0.000（基準） |
| Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu | +0.337 |
| Ag⁺ + e⁻ → Ag | +0.799 |
✅ E°cell > 0 → 自発的反応（ΔG° = −nFE° < 0）
ダニエル電池（Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu）
E°cell = E°(Cu) − E°(Zn) = +0.337 − (−0.763) = +1.100 V
| 電極 | 極 | 反応 |
|---|---|---|
| Zn | 負極（アノード） | Zn → Zn²⁺ + 2e⁻（酸化） |
| Cu | 正極（カソード） | Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu（還元） |
濃淡電池の標準起電力
濃度のみが異なる2つの半電池からなる電池。標準状態では両電極の濃度が等しいため：
✅ 濃淡電池の標準起電力 = 0 V（ただし実際の濃度差があれば起電力は生じる）
⚗️ ファラデーの法則
電気分解で析出（または溶解）する物質の質量：
m = M × I × t / (n × F)
| 記号 | 意味 |
|---|---|
| m | 析出・溶解する質量（g） |
| M | モル質量（g/mol） |
| I | 電流（A） |
| t | 時間（s） |
| n | 反応に関わる電子数 |
| F | ファラデー定数（96500 C/mol） |
✅ 計算の流れ：Q = I × t → 電子モル数 = Q/F → 物質モル数 = 電子モル数/n → m = モル数 × M
例） 96500 C 流したとき Cu（M = 64, n = 2）の析出量
電子 = 1 mol → Cu = 0.5 mol → m = 32 g
📋 国試頻出まとめ
| # | ポイント | 内容 |
|---|---|---|
| 1 | 起電力の計算 | E°cell = E°正極 − E°負極 |
| 2 | ダニエル電池 | E°cell = +1.100 V（Cu: +0.337、Zn: −0.763） |
| 3 | カソード = 還元 | 電池・電気分解ともに共通 |
| 4 | 濃淡電池の標準起電力 | 0 V（標準状態では濃度差なし） |
| 5 | ファラデーの法則 | m = MIt/(nF) |
| 6 | ファラデー定数 | F = 96500 C/mol |
| 7 | ΔG° と E° | ΔG° = −nFE°（E° > 0 なら自発） |
| 8 | 酸化剤・還元剤 | 電子を受け取る = 酸化剤、渡す = 還元剤 |
| 9 | 起電力の式 | ネルンストの式（Henderson-Hasselbalchではない） |
📝 国試過去問チェック
第110回薬剤師国家試験 問1（必須）
図はダニエル電池（Zn ; ZnSO₄（aq） || CuSO₄（aq） ; Cu）の模式図である。この電池の標準起電力として正しいのはどれか。1つ選べ。 ただし、Zn と Cu の半電池の標準電極電位はそれぞれ −0.763 V と +0.337 V とする。
１. +0.213 V
２. +0.426 V
３. +1.100 V
４. −0.426 V
５. −1.100 V
解答と解説を見る
正解：3
標準起電力の計算式：E°cell = E°正極（カソード）− E°負極（アノード）
ダニエル電池では Cu が正極（カソード）、Zn が負極（アノード）となる。
E°cell = E°(Cu) − E°(Zn) = (+0.337) − (−0.763) = +1.100 V
3○ +1.100 V。正しい。
1✗ +0.213 V は根拠不明。
2✗ +0.426 V = 0.337 + 0.337 − 0.248 など、計算が不正確。
4✗ −0.426 V は符号や計算が誤り。
5✗ −1.100 V は正負極を逆にした場合の値。
第108回薬剤師国家試験 問93（一般）
酸化還元反応と化学電池に関する記述のうち、正しいのはどれか。2つ選べ。
１. 酸化還元反応において、電子を受け取るのは還元剤である。
２. コハク酸（C₄H₆O₄）+ FAD → フマル酸（C₄H₄O₄）+ FADH₂ の反応において、コハク酸は酸化剤である。
３. 進行中の酸化還元反応の起電力は、Henderson-Hasselbalch の式で表すことができる。
４. 電解質の濃度のみが異なる2つの半電池からなる化学電池（濃淡電池）の標準起電力は 0 V である。
５. 反応が自発的に進行している化学電池では、カソード（正極）で還元反応が起こる。
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正解：4、5
4○ 濃淡電池は濃度のみが異なる2つの半電池からなる。標準状態（両電極が同じ標準濃度）では電位差がなく、標準起電力 = 0 V。正しい。
5○ 自発的に進行する化学電池では、正極（カソード）で還元反応が起こる。「カソード = 還元」は電池・電気分解ともに共通のルール。正しい。
1✗ 電子を受け取るのは酸化剤（相手を酸化し、自身は還元される）。還元剤は電子を渡す側。
2✗ コハク酸はフマル酸に変化する際、H₂を失って酸化されている（→ コハク酸は還元剤）。酸化剤ではない。
3✗ 酸化還元反応の起電力はネルンストの式で表される。Henderson-Hasselbalch の式は酸塩基平衡（pH計算）に使うもので、電池とは無関係。