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電池と電気分解3|「ボルタ電池」と「ダニエル電池」

電池と電気分解2 ―イオン化傾向と電池の仕組み―」の続きです.

ボルタ電池は最も基本的な電池です.しかし,それゆえに「分極」が起こるという欠点も持ち合わせています.

一方,ダニエル電池は「分極」が起こらないように改良した電池で,ボルタ電池の改良版という位置付けになっています.

ボルタ電池もダニエル電池も非常に基本的で重要なので,確実に抑えてください.

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正極と負極

正極と負極の説明をしていなかったので,ここで説明しておきます.

電池は「酸化還元反応を利用して電子を取り出す装置」だと書きました.もう少し具体的に書くと,溶液Xに金属Aと金属Bをボチャンと浸け,導線でつなげば良いのでした.

そのとき,電子が金属Aから導線を伝わって,金属Bへ移動しているとします.これにより,導線の中を電子が移動しているわけですから,電池が形成されたということになります.

「電流の向き」は「電子の移動方向と逆向き」でしたから,電流は金属Bから金属Aに流れていると解釈します.

このとき,金属Aと金属Bを「電極」といい,金属Bを「正極」,金属Aを「負極」といいます.

この電池は,溶液Xに金属A,金属Bを浸けただけで完成したので,次のように「電池式」で表します.

\textcircled{-} \ \mathrm{A\ |\ X\ |\ B}\ \textcircled{+}

このことを具体的な電池を挙げて話をします.

ボルタ電池

ボルタ電池の仕組み

電池2

ボルタ電池は亜鉛Znと銅Cuをボチャッと希硫酸\mathrm{H_2SO_4}aqに浸けて,導線で亜鉛Znと銅Cuを結んでやれば完成します.

図では導線の途中にオレンジ色の〇がありますが,これはたとえば豆電球だと思ってください.

銅Cuと亜鉛Znをイオン化列での順を見てみると,Zn>Cuとなっていますね.つまり,亜鉛Znの方が陽イオンになりやすいので,ボルタ電池では亜鉛Znが陽イオンとなって溶液中へ溶け出します.

つまり,亜鉛Zn側での反応は

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

となっています.そして,そこで残った電子\mathrm{e^-}が導線通って銅Cu側へやって行き,銅Cuの表面で水素イオン\mathrm{H^+}と反応して水素\mathrm{H_2}が発生します.

つまり,銅Cu側での反応は

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

となっています.このとき,銅Cuは全く変化していないということに注意してください.

電子\mathrm{e^-}はZn電極からCu電極へ流れているので,Cu電極が正極Zn電極が負極となっています.ですから,ボルタ電池を電池式で書けば,

\textcircled{-} \ \mathrm{Zn}\ |\ \mathrm{H_SO_4}aq\ |\ \mathrm{Cu}\ \textcircled{+}

となります.

ボルタ電池の問題点

当然,電池は使用すればするほど電圧は下がり弱くなっていきますが,ボルタ電池は使えばそれ以上に弱くなっていきます.つまり,電池の弱まりが速いのです.

これはどういうことでしょうか?実は,この電池の電圧が急激に小さくなる現象を「電池の分極」といいます.「電池の分極」の原因としては次の3つが考えられます.

  1. 銅Cuの表面に発生した水素\mathrm{H_2}が電子\mathrm{e^-}と水素イオン\mathrm{H^+}の反応を阻害する
  2. 水素\mathrm{H_2}が発生しすぎて逆反応\mathrm{H_2 \to 2H^+ +2 e^-}が起こってしまい,電子\mathrm{e^-}が逆流する
  3. 亜鉛Zn付近に発生した亜鉛イオン\mathrm{Zn^{2+}}が濃くなりすぎて,亜鉛Znのイオン化が阻害される

適当な酸化剤を混ぜることで,発生した水素\mathrm{H_2}を酸化させて水\mathrm{H_2O}に変えてやることで,ボルタ電池の「電池の分極」はある程度防ぐことができるのですが詳しくは割愛します.

なお,「電池の分極」は物理の電磁気学の「分極」とはまったく別のものです.

ダニエル電池

ダニエル電池の仕組み

電池3

ダニエル電池はボルタ電池の進化版ということができます.というのは,ダニエル電池はボルタ電池で問題だった分極が起こらないからです.

ダニエル電池は,素焼き版などの一部のイオンを透過させる板を中央に設置した容器を用意します.

片側に亜鉛Znを硫酸亜鉛水溶液\mathrm{ZnSO_4}aq,他方に銅Cuを硫酸銅水溶液\mathrm{CuSO_4}aqに浸けて,導線で亜鉛Znと銅Cuを結んでやれば完成します.

電極はボルタ電池と同じですから,ボルタ電池と同じく銅Cuと亜鉛Znをイオン化列での順を見てみると,Zn>Cuとなっていますから,ダニエル電池では亜鉛Znが陽イオンとなって溶液中へ溶け出します.

つまり,亜鉛Zn側での反応は

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

となっています.そして,そこで残った電子\mathrm{e^-}が導線通って銅Cu側へやって行き,銅Cu側での反応は次のようになります.

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

となっています.Cu電極で銅Cuが析出しているので,Cu電極はどんどん太っていきます.

電子\mathrm{e^-}はZn電極からCu電極へ流れているので,Cu電極が正極Zn電極が負極となっています.ですから,ダニエル電池を電池式で書けば,

\textcircled{-} \ \mathrm{Zn}\ |\ \mathrm{ZnSO_4}aq\ |\ \mathrm{CuSO_4}aq\ |\ \mathrm{Cu}\ \textcircled{+}

です.溶液が2種類あることに注意してください.

ボルタ電池からの改善点

ボルタ電池からの改善点は,正極Cuで水素\mathrm{H_2}が発生しなくなっているところです.

なぜ水素が発生しないのかというと,そもそも水素イオン\mathrm{H^+}が溶液中にほとんど存在しないからです.

ボルタ電池の溶液は希硫酸\mathrm{H_2SO_4}aqでしたから,溶液はバリバリの酸性です.つまり,溶液中にたくさん水素イオン\mathrm{H^+}が存在しているのです.

ですが,ダニエル電池の溶液中にはほとんど水素イオンH+が存在しないので,水素が発生せず分極も起こりにくくなっているのです.

これでボルタ電池の分極が起こる原因の1,2は改善されています.

また,各溶液中では必ず電気的には中性が保たれます.

ダニエル電池の場合は溶液が2つあり,硫酸亜鉛水溶液\mathrm{ZnSO_4}aq中に\mathrm{Zn^{2+}}が生じるので,電気的に+に偏ってしまいこのままではマズイいわけです.

一方,硫酸銅水溶液\mathrm{CuSO_4}aq中から\mathrm{Cu^{2+}}がなくなるので,電気的に-に偏ってしまいこのままではマズいわけです.

ここで,素焼き版はイオンは通すということがポイントになります.

電池3

もう一度上と同じ図を載せます.

硫酸亜鉛水溶液\mathrm{ZnSO_4}aqが+に偏りそうになると,素焼き版を通して亜鉛イオン\mathrm{Zn^{2+}}が硫酸銅水溶液\mathrm{CuSO_4}aqに流れ込みます.

一方,硫酸銅水溶液\mathrm{CuSO_4}aqが-に偏りそうになると,素焼き版を通して硫酸イオン\mathrm{SO_4^{2-}}が硫酸亜鉛水溶液\mathrm{ZnSO_4}aqに流れ込みます.

このように,反応が進んでも各溶液は電気的に中性が保たれています.

このとき,Zn電極から亜鉛イオン\mathrm{Zn^{2+}}が硫酸銅水溶液\mathrm{CuSO_4}aqへ流れていくので,ボルタ電池で分極が起こる原因の3が解消されているのです.

以上から,ボルタ電池の分極が起こる原因が解消され,ダニエル電池では分極がほとんど起こらなくなります.

次の記事「電池と電気分解4 ―鉛蓄電池―」に続きます.

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