【前回の記事】金属のイオン化傾向 解答・解説
イオン化傾向をまだ確認していない方はこちらから！電池の理解に必要です。
▶ 前回の記事を読む
金属のイオン化傾向を学んだら、次は電池です。電池は「イオン化傾向の差を利用して電気エネルギーを取り出す装置」です。最初に発明された電池「ボルタ電池」の仕組みを理解して、電池の基本原理を身につけましょう！
- 電池の基本原理（イオン化傾向との関係）
- ボルタ電池の構造と各極の反応
- 負極・正極での反応式
- 電子の流れと電流の向き
- 分極とは何か・なぜボルタ電池は長続きしないのか
電池とは、酸化還元反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。
- イオン化傾向の大きい金属が溶け出して電子を放出する（酸化・負極）
- 放出された電子が導線を通って流れる → 電流が生じる
- イオン化傾向の小さい金属側で電子を受け取る反応が起こる（還元・正極）
- 2種類の金属のイオン化傾向の差が大きいほど起電力（電圧）が大きくなる
💡 負極・正極の覚え方
負極（−極）
- イオン化傾向が大きい金属
- 電子を放出する
- 酸化反応が起こる
- 電子が出ていく極
正極（＋極）
- イオン化傾向が小さい金属
- 電子を受け取る
- 還元反応が起こる
- 電子が入ってくる極
ボルタ電池は1800年にイタリアの科学者ボルタが発明した、世界最初の電池です。
▲ ボルタ電池の構造（亜鉛板：負極、銅板：正極、希硫酸）
Znのイオン化傾向 ＞ Cuのイオン化傾向
Znが溶け出してZn²⁺になる
Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
放出されたe⁻が導線を流れる
（希硫酸）
H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻
導線からe⁻を受け取る
H⁺が還元されH₂が発生
2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑
銅板の表面に気泡が発生
ZnがZn²⁺になって電解液に溶け出し、2個のe⁻を放出します。
導線を流れてきたe⁻を、電解液中のH⁺が受け取ってH₂になります。
ZnがH₂SO₄に溶けてZnSO₄になり、H₂が発生する反応です。
| 負極（Zn） | 正極（Cu） | |
|---|---|---|
| 反応の種類 | 酸化 | 還元 |
| 電子の動き | e⁻を放出（出ていく） | e⁻を受け取る（入ってくる） |
| 電子の流れ | Zn極 → 導線 → Cu極 | |
| 電流の向き | Cu極 → 導線 → Zn極（電子と逆向き） | |
電流の向き（＋→−）と電子の流れ（−→＋）は逆方向です。
電流は「正電荷が流れる方向」と定義されているため、実際に流れる電子とは逆になります。
入試では「電流の向き」と「電子の流れる向き」を区別して答えましょう。
ボルタ電池には大きな欠点があります。それが分極という現象です。
正極（Cu板）でH₂が発生すると、H₂の気泡がCu板の表面に付着します。
H₂の気泡が付着すると…
① H⁺がCu板に到達しにくくなる
② H₂自体がZnに対して正極としてはたらき、逆起電力が生じる
→ 結果として電圧が急激に低下する
分極によってすぐに電圧が下がるため、実用的ではありません。
この欠点を解決したのがダニエル電池です（次の記事で解説）。
- 一次電池：使い切りの電池（ボルタ電池・マンガン乾電池など）
- 二次電池：充電して繰り返し使える電池（鉛蓄電池・リチウムイオン電池など）
- ボルタ電池・ダニエル電池は一次電池
- 電池はイオン化傾向の差を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変換
- 負極：イオン化傾向が大きい金属 → 酸化・e⁻を放出
- 正極：イオン化傾向が小さい金属 → 還元・e⁻を受け取る
- ボルタ電池：負極Zn（Zn→Zn²⁺+2e⁻）・正極Cu（2H⁺+2e⁻→H₂）
- 電子の流れ：Zn→Cu、電流の向き：Cu→Zn（逆向き）
- 分極：Cu板にH₂が付着して電圧が低下する現象 → ボルタ電池の欠点
コメント