電池とは?ボルタ電池の構成と反応

電池とは何か?ボルタ電池の構成と反応

 

こちらのページでは

 

・電池とは何か?

 

・ボルタ電池の構成

 

・ボルタ電池の反応

 

・ボルタ電池の起電力と分極

 

・分極を防ぐ方法とダニエル電池

 

について解説しています(高校化学のカテゴリーとして分類しています)。

 

※高校化学のカテゴリーページはこちらです。

 

 

電池とは何か?

みなさんが生活されている中で、様々な種類の電池を見かけると思います。

 

今のように性能が高く、値段も安い電池になるまでに、色々な種類の電池が開発、改良されています。

 

長い電池の歴史の中でも、ボルタ電池は初期の頃に開発された電池であり、根本の原理は現在と同じです。

 

ここで、まず電池とは何かを考えましょう。

 

電池とは、化学反応の一つである酸化還元反応を利用し、外部の回路を通すことで、
化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置と言えます。

 

この前提を元に、ボルタ電池の原理について下で解説します。

 

ボルタ電池の構成

 

ボルタ電池は以下のように構成されます。

 

正極に銅(Cu)を使用、負極に亜鉛(Zn)を使用し、共通の電解液として濃硫酸(H2SO4)を使用されたもので構成されます。

 

ここで、正極、負極において、直接反応に関与するものを活物質と呼び、正極活物質は銅ではなく水素イオンです。

 

つまり銅は反応せず電解液中の水素イオンが反応します

 

ダニエル電池では電解液中の銅イオンが反応することが異なります)。

 

そして負極活物質は電極と同じ

 

まとめますと以下の通りになります。きちんと理解しておきましょう。

 

 

下に構成時のイメージ図を示します。

 

 

また、上図を下記のよう簡易的に表記することもありますので、覚えておきましょう。

 

ここでは、構成する電極などの材料を記載することを理解しておきましょう。

 

 

 

 

 ボルタ電池の反応

 

ボルタ電池では、正極と負極を導線などの導体(外部回路)で上図のようにつなぐことで反応が開始します。

 

イオン化傾向により、Znの方が水素より溶けやすい(イオン化しやすい)ため、負極ではZnが溶出、正極では水素イオンが反応し水素が発生する反応具体的な反応式は以下の通りです。

 

 

 ボルタ電池の起電力と分極

 

ボルタ電池から取り出せる電圧(各電極の電位差のことで理論起電力と呼びます)は1.1V程度です。

 

ただし、豆電球などの外部回路をつなぎ反応が進むと、分極と呼ばれる現象により起電力が大きく低下します。

 

簡単に説明しますと正極で発生した水素が反応の邪魔をするということです。

 

分極を防ぐ方法とダニエル電池

分極の発生原因は正極の水素発生によるということを上で解説しました。

 

では、水素発生を防ぐためには何をすればよいでしょうか?

 

答えは、水素イオンの代わりに反応しやすい材料を添加するということです。

 

つまり、酸化剤、自身は還元されやすいものを添加すればよく、過酸化水素や、ニクロム酸カリウムを添加することで分極を防ぐことが出来ます。

 

ただし、酸化剤を添加する手間を省くためにボルタ電池の構成自体を変化させ、改良したものをダニエル電池と呼び、ダニエル電池についてはこちらで解説しています。

 

 

 

※大学課程で学ぶ電気化学における分極についてはこちらで解説しています。

 

※大学課程で学ぶ電気化学において起電力の算出方法を学びます。こちらで解説していますので、興味ある方は参考にしてみてください。

 

※高校化学ではイオン化傾向として特定の元素のみを羅列していますが、実際はすべての元素でこのイオンになりやすさが存在します。これは大学課程の電気化学で学べ、こちらで解説しています。

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