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電池と電気分解1|電池の仕組みと電流の正体

「電池」は日常的によく見かけるもので,「電池」が「電流」を生み出すことはよく知られています.では,「電流」とは一体なんでしょうか?また,「電池」はどのような仕組みで「電池」を生み出すのでしょうか?

簡単に答えを書けば,「電流」の正体は「電子の移動」のことであり,「電池」とは「酸化還元反応により,電子の移動を起こす装置」の事を言います.

ですから,「電池」を理解するには酸化還元反応を理解しておくことが大切です.

「電池」の次は「電気分解」の話に入りますが,「電池」が分かっていないと「電気分解」を十分に理解できませんから,「電池」は確実に押さえてください.

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電池とは何か

電池の種類

まず,電池とは「物理電池」と「化学電池」の2種類あります.

たとえば,自転車のタイヤの回転により内部の磁石が回転して電流を作り出す電池があります.このような物理的なエネルギーから電気を得る電池を「物理電池」といいます.

この記事では「物理電池」ではなく,「化学電池」について書きます.

化学電池とは

「化学電池」の説明を,私が持っている教科書から引用します.

電池とは,化学反応に伴って放出されるエネルギーを,直流の電気エネルギーに変える発電装置のことである.

たとえば,中和反応を起こると中和熱が生じます.これは化学反応に伴って熱エネルギーが放出されています.

同様に,化学反応に伴って電気によるエネルギーが生じることがあります.この電気によるエネルギーを取り出してやる装置を「電池」というわけです.

電池1

基本的な電池で有名なものといえばボルタ電池でしょう.

ボルタ電池は亜鉛\mathrm{Zn}と銅\mathrm{Cu}をボチャッと希硫酸\mathrm{H_2SO_4}に浸けて,導線で亜鉛と銅を結べば完成します.

図ではオレンジ色の丸を挟んでいますが,これはたとえば豆電球だと思ってください.

これは,亜鉛\mathrm{Zn}側で

\mathrm{Zn \to Zn^{2+} + 2e^-}

\mathrm{Cu}

\mathrm{2H^+ + 2e^- \to H_2}

という反応が起こっています.酸化還元反応の言葉を使えば,亜鉛\mathrm{Zn}は酸化され,水素イオン\mathrm{H^+}は還元されています.

なぜこの反応が起こるのかは次の記事で説明します.

電流とは何か

電流の正体

さて,電池と豆電球を繋ぐと電流が流れて豆電球が光ることは皆さん知っています.

しかし,当然「電流」という物質が導線の中を流れているわけではなく,「電流」とは「電子の導線中の移動」のことをいいます.そして,電子が移動するときのエネルギーこそが電気エネルギーなのです.

ですから,何とかして電子を導線の中で動かさなければならないわけですが,そこで酸化還元反応を利用するわけです.

酸化還元反応は,「電子のやりとり」が基本でした.「酸化される=電子を放出すること」,「還元される=電子を受け取ること」でした.

普通の酸化還元反応は「物質をコネコネ混ぜて,直接的に電子のやり取りを引き起こす」イメージです.

一方,電池は「物質と物質を導線で結んで,間接的に電子をやり取りを引き起こす」イメージです.

こうして導線中に電子を通すことで,間に繋いだ豆電球が光るというわけです.

電流の向き

「電子の移動」を「電流」というわけですから,当然「電流」にも向きを考えることができます.

そこで,「電流の向き」を「電子の移動と逆向き」と定めます.

「逆向き……?」

はい,「電流の向き」は「電子の動きと逆向き」です.では,なぜ「逆向き」なのでしょうか?

電気の存在が知られ始めた頃は,もちろん電子の存在は知られていませんでした.

一方,電荷を考えるときは「正の電荷」で考えることが普通です.好き好んでマイナスで考える人はいないでしょう.ですから,電気が研究され始めた当初は電流も「正の電荷」が流れていると考えました.

しかし,研究が進むにつれ「どうやら電子というものがあるらしい」「どうやら我々は電子の移動を電流と言っているらしい」「どうやら電子は『負の電荷』を持つらしい」と分かってきました.

しかし,研究は「正の電荷」が流れているとして進んできました.「負の電荷」が「右」に流れていることを,「正の電荷」が「左」に流れている,と思って研究が進んできたわけです.

「実際には『正の電荷』が動いているわけではないけど,いまさら電流の定義を変えると混乱が起こってしまう……」

というジレンマに当時の物理学者たちは悩んだことでしょう.

そして,結局「電流の向き」は「実際には違うけど『正の電荷が移動している』と仮定した向き」のままできたわけです.

以上の理由から,「電流の向き」は「電子の向きと逆向き」となっているのです.

次の記事「電池と電気分解2 ―イオン化傾向と電池の仕組み―」に続きます.

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