電池と電気分解２｜イオン化傾向と電池の考え方

前回の記事で説明したように，電池とは「酸化還元反応を利用して，電子の移動を生じさせる装置」のことをいうのでした．

そのことを見るために，銅 $\mrm{Cu}$ 電極と亜鉛 $\mrm{Zn}$ 電極で起こる化学反応を利用するボルタ電池を例に挙げて，電子 $e^-$ が導線を流れる様子を考えました．

なお，ボルタ電池(とダニエル電池)については，次の記事で詳しく説明しています．

この記事では，このボルタ電池の仕組みを他の場合にも起こすには，「金属が陽イオンへのなりやすい性質」である「イオン化傾向」を考えれば良いことを説明します．

さて，亜鉛 $\mrm{Zn}$ 電極であっても，相手の電極の素材が何であるかによって電流の流れる向きが変わります．

この電流の流れる流れる向きを考える際に，「イオン化傾向」の大きさを順に並べた「イオン化列」がとても重要な役割を果たします．

化学反応が起こるとき，電子 $e^-$ の移動が起こります．電子 $e^-$ は電気的なエネルギーを持っているので，電子 $e^-$ が動くということは電気が流れていることに他なりません．この電子 $e^-$ の動きを利用して電気エネルギーを取り出す装置を電池といいます．

【電池と電気分解３｜ボルタ電池とダニエル電池】

具体的な電池として，「ボルタ電池」は最も基本的な電池でしょう．しかし，「ボルタ電池」には欠点があり，それを解消するために「ダニエル電池」が考案されました．この2つの電池なくして電池を理解することはできませんから，電池の仕組みを理解して，この2つの電池の理解を深めてください．

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1 イオン化傾向とイオン化列
- 1.1 イオン化傾向
- 1.2 イオン化列
2 電池の仕組み
- 2.1 反応と電子の動き
- 2.2 ボルタ電池とイオン化列

イオン化傾向とイオン化列

「イオン化傾向」と「イオン化列」について説明します．

イオン化傾向

単体の金属に，「イオン化傾向」というものがあります．

「イオン化傾向」とは「溶液中に電子を放出して陽イオンになろうとする性質」のことをいいます．「陽イオン化する性質」ですからそのままの名前ですね．

たとえば，希塩酸 $\mathrm{H_2SO_4}$ に亜鉛 $\mathrm{Zn}$ をボチャンと浸けると，希塩酸中 $\mathrm{H_2SO_4}$ の水素イオン $\mathrm{H^+}$ と反応して

$\begin{align*} \mathrm{Zn + 2H^{+} \to Zn^{2+} + H_2} \end{align*}$

の反応で，亜鉛 $\mathrm{Zn}$ が陽イオン $\mathrm{Zn^{2+}}$ となります．

このように，多くの金属は陽イオンになります．そして，この「単体金属が陽イオンになりやすい」という性質のことを「イオン化傾向」というのです．

多くの金属は陽イオンになり，この「陽イオンへのなりやすい」という性質を「イオン化傾向」という．

イオン化列

また，「イオン化傾向」には金属によって強さがあり，金属を「イオン化傾向」の強さの順に並べたものを「イオン化列」といいます．

具体的には，「イオン化列」は次のようになっています．

$\mathrm{K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb(>H)>Cu>Hg>Ag>Pt>Au}$

カリウム $\mathrm{K}$ が「最もイオン化傾向が強い(=最も陽イオンになりやすい)」物質で， $\mathrm{Au}$ が「最もイオン化傾向が弱い(=最も陽イオンになりにくい)」物質です．

もちろん，この他にも金属はありますが，高校化学ではこれだけでほとんど十分です．

よくある覚え方としては「借りよかな，まあアテにすんな，ひどすぎる借金」というものがあります．これは

借り( $\mathrm{K}$ )よか( $\mathrm{Ca}$ )な( $\mathrm{Na}$ )，
ま( $\mathrm{Mg}$ )あ( $\mathrm{Al}$ )ア( $\mathrm{Zn}$ )テ( $\mathrm{Fe}$ )に( $\mathrm{Ni}$ )すん( $\mathrm{Sn}$ )な( $\mathrm{Pb}$ )，
ひ( $\mathrm{H}$ )ど( $\mathrm{Cu}$ )すぎ( $\mathrm{Hg}$ )る借( $\mathrm{Pt}$ )金( $\mathrm{Au}$ )

となっています．

「イオン化列」は覚えておく必要があるので，実際に自分の手を動かして書けるようにしてください．

イオン化傾向の強さの順に金属を並べたものを「イオン化列」という．「イオン化列」は覚えておく．

電池の仕組み

それでは，イオン化傾向とイオン化列をもとにして，電池の仕組みを考えます．

反応と電子の動き

前の記事でボルタ電池を例に簡単に説明しましたが，今回もボルタ電池を例に説明します．

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．

亜鉛 $\mathrm{Zn}$ 側では，亜鉛 $\mathrm{Zn}$ が溶液中に亜鉛イオン $\mathrm{Zn^{2+}}$ として溶け出し，そのときに残された電子 $\mathrm{e^-}$ が導線を通って銅 $\mathrm{Cu}$ 側へやって行きます．

つまり，反応は

$\begin{align*} \mathrm{Zn \to Zn^{2+} + 2e^-} \end{align*}$

となっています．

銅 $\mathrm{Cu}$ 側では，導線を通してやってきた電子 $\mathrm{e^-}$ が，溶液中の水素イオン $\mathrm{H^+}$ とくっついて水素 $\mathrm{H_2}$ になっています．つまり，反応は

$\begin{align*} \mathrm{2H^{+} + 2e^{-} \to H_2} \end{align*}$

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

ボルタ電池は亜鉛 $\mathrm{Zn}$ が陽イオン化し，そこで残った電子 $\mathrm{e}^{-}$ を銅 $\mathrm{Cu}$ が受け取り，溶液中の水素イオン $\mathrm{H^{+}}$ に渡す．

その結果，水素イオン $\mathrm{H^{+}}$ 2つが反応して気体の水素 $\mathrm{H_2}$ ができる．

ボルタ電池とイオン化列

さて，ここで「金属は陽イオンになりやすいなら，銅 $\mathrm{Cu}$ はなぜ銅イオン $\mathrm{Cu}^{2+}$ にならないのか？」という疑問が出てきますね．

ここで活きてくるのが，この記事の最初にやった「イオン化列」です．

銅 $\mathrm{Cu}$ と亜鉛 $\mathrm{Zn}$ のイオン化列での順を見てみると， $\mathrm{Zn>Cu}$ となっていますね．つまり，亜鉛 $\mathrm{Zn}$ の方が陽イオンになりやすいわけです．

実は，2つの金属を繋いだとき，陽イオン化するのは「イオン化傾向の強い方のみ」であり，イオン化傾向の弱い方は陽イオンにならず電子を受け取る役割をするのです．

ですから，ボルタ電池では亜鉛 $\mathrm{Zn}$ が陽イオンとなって溶液中へ溶け出しているのです．

そして，そこで残った電子 $\mathrm{e^-}$ が導線通って銅 $\mathrm{Cu}$ 側へやって行き，銅 $\mathrm{Cu}$ 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．

さらに，「銅 $\mathrm{Cu}$ と電子 $\mathrm{e^-}$ が反応することはないのか？」という疑問を持つかもしれませんが，反応しません．

というのは，銅 $\mathrm{Cu}$ と電子 $\mathrm{e^-}$ が反応するということは銅が陰イオンになるということですが，基本的に金属は陰イオンにならないのです．

ですから，やってきた電子 $\mathrm{e^-}$ は水素イオン電子 $\mathrm{H^+}$ と反応するしかないわけです．

イオン化は相対的にイオン化傾向の強い金属のみがイオン化し，イオン化傾向の弱い金属は電子を受け取る役割をする．

ボルタ電池の場合には，イオン化傾向の強い亜鉛 $\mathrm{Zn}$ がイオン化し，イオン化傾向の弱い銅 $\mathrm{Cu}$ は反応せず電子 $\mathrm{e}^-$ の受け渡しをする．

また，金属イオンが陰イオンになることはない．

【次の記事：電池と電気分解３｜ボルタ電池とダニエル電池】

本記事で説明したイオン化傾向の考え方を使って，最初の記事で扱った「ボルタ電池」をもう一度考えます．また，「ボルタ電池」と同じく，「ダニエル電池」は電極に亜鉛 $\mrm{Zn}$ と銅 $\mrm{Cu}$ を用いていますが，「ボルタ電池」で起こる「分極」という不具合を解消しているのがポイントです．

最後まで読んで頂きありがとうございました！ YouTubeの授業動画もあります【授業をみてみる】

プロタイドイオンより:

2019年8月6日 1:18 PM

電池の仕組みのところで、亜鉛と銅の記述間違いがあります。修正をお願いします。

返信
1. 山本拓人より:
  
  2019年8月17日 3:34 PM
  
  ご指摘をありがとうございます．
  一部，「銅 $\mathrm{Zn}$ 」と「亜鉛 $\mathrm{Cu}$ 」になっておりました．
  正しくは，「銅 $\mathrm{Cu}$ 」と「亜鉛 $\mathrm{Zn}$ 」ですね．
  誤植を修正しました．
  
  返信

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