水の化学反応式はなぜ2H2+O2？係数合わせと電気分解の完全解法
水生成の化学反応式と双璧をなす最重要テーマが、水の電気分解です。両者は化学変化の方向性が真逆であるため、一方を論理的に理解していれば、もう一方は矢印を反転させるだけで構造を把握できます。しかし、実際の定期テストでは電極の極性と発生する気体の組み合わせを巡って多くの失点が発生します。
まず前提として抑えるべき事実は、純粋な水はほとんど電気を通さないという点です。そのため実験を行う際は、電流を流れやすくするための電解質として少量の水酸化ナトリウム（NaOH）や水酸化バリウムを溶かします。この水溶液に電極を差し込んで直流電流を流すと、水分子が強制的に引き裂かれる電気分解陽極陰極の反応が始まります。
電極ごとの挙動と気体の識別法は、以下の通り明確に分かれます。
【陰極（マイナス極）の反応】
陰極には電源から電子（e-）が次々と送り込まれてきます。水中の水素イオン（あるいは水分子）がこの電子を受け取ることで還元され、水素（H2）が発生します。集めた試験管の口にマッチの炎を近づけると、「ポン」と音を立てて爆発的に燃えるのが特徴です。
【陽極（プラス極）の反応】
陽極からは電子が電源側へと奪い去られます。水分子から電子が引き抜かれることで酸化が起こり、酸素（O2）が発生します。試験管に火のついた線香を入れると、炎を上げて激しく再燃するのが特徴です。
この分解反応を1本の化学反応式で表すと、生成式の矢印を単純に逆転させた「2H2O → 2H2 + O2」となります。この数式をじっくり眺めると、重要な秘密が隠されていることに気づきます。分解された水分子から生じる気体の分子数は、水素が「2」に対して酸素が「1」です。
気体反応の法則（アボガドロの法則）が教える通り、「すべての気体は同温・同圧のもとで、同じ体積中に同数の分子を含む」という普遍の原理が存在します。つまり、発生する分子の数の比（2：1）は、そのまま実験器具の目盛りに現れる気体の体積比（水素：酸素＝2：1）と完全に一致します。試験管に溜まる気体の量が陰極（水素）のほうが2倍も多いという実験結果は、化学反応式の係数が「2対1」であることを物理的に証明しているのです。
なお、実際の実験現場では「理論上は2対1になるはずなのに、酸素の体積が少し少なくなって2.2対1くらいに見える」という事態が頻繁に起こります。これは酸素が水素に比べてわずかに水に溶けやすい性質を持つためです。難関校の記述試験では、この「理論値と実測値のズレの理由」まで踏み込んで出題される傾向があるため、丸暗記を超えた背景知識として記憶に留めておく必要があります。
