ガルバニ電池

化学電池の種類

• シンプルセル
• 乾電池
• ウェットセル
• 燃料電池
• 太陽電池
• 電気セル

電気化学セル

非常に重要な酸化反応と還元反応は、電池で有用な電気エネルギーを供給するために使用されます。単純な電気化学セルは、銅と亜鉛の金属とそれらの硫酸塩の溶液から作ることができる。反応の過程で、電子は有用な電流として導電性の経路を通って亜鉛から銅に移動することができる。

電気化学セルは、金属電極を電解液中に置き、化学反応によって電流を使用または発生させることで作られる。電流を発生させる電気化学電池はボルタ電池やガルバニック電池と呼ばれ、一般的な電池はこのような電池を1つ以上組み合わせたものである。また、外部から電流を供給して、自然には起こらない化学反応を起こさせる電気化学電池もある。このようなセルは電解槽と呼ばれる。

ボルタチック・セル

金属は電子を失う性質が異なるため、2種類の金属を使って外部に電流を流す電気化学セルを作ることができる。亜鉛は銅よりも電子を失いやすいので、亜鉛と銅の金属をそれぞれの塩の水溶液に入れると、亜鉛から銅につながる外部の電線に電子が流れるようになる。亜鉛原子が電子を提供すると、亜鉛原子は正イオンとなって水溶液中に入り、亜鉛電極の質量が減少します。銅側では、受け取った2つの電子によって、水溶液中の銅イオンが電荷を持たない銅原子に変化し、銅電極に付着して質量が増加します。この2つの反応は通常、次のように書かれます。

Zn（s）→Zn²⁺（aq）＋2e ^-

Cu²⁺(aq) + 2e ^---> Cu(s)

括弧内の文字は、亜鉛が固体（s）から水溶液（aq）になり、銅がその逆になることを示しています。電気化学の用語では、この2つの過程を、2つの電極で起こる「半反応」と呼ぶのが一般的です。

ボルタ電池が外部から電流を流し続けるためには、溶液中の硫酸イオンを右から左に移動させて、外部回路の電子の流れとバランスさせる必要がある。金属イオンが電極間を移動することはできないので、多孔質膜などを用いて、電解液中のマイナスイオンを右から左へ選択的に移動させる必要がある。

電子を亜鉛電極から銅電極に移動させるためにはエネルギーが必要であり、ボルタ電池から得られる単位電荷あたりのエネルギー量を電池の起電力（emf）という。単位電荷あたりのエネルギーはボルトで表される（1ボルト＝1ジュール／クーロン）。

明らかに、セルからエネルギーを得るためには、銅を還元するのに必要なエネルギーよりも、亜鉛の酸化から放出されるエネルギーを多く得なければなりません。セルがこのプロセスから得られるエネルギー量には限りがあり、プロセスは電解液または金属電極の中で利用可能な物質の量によって制限されます。例えば、銅側に硫酸イオンSO₄^2-が1モルあったとすると、外部回路を介して2モルの電子を移動させるのが限界であるということになる。1モルの電子に含まれる電荷量をファラデー定数といい、アボガドロ数に電子の電荷をかけたものである。

ファラデー定数＝F＝_ANe＝6.022×10²³×1.602×10^-19＝96,485 クーロンブス／モル

ボルタ電池のエネルギー収量は、電池電圧×移動する電子のモル数×ファラデー定数で与えられる。

電気エネルギー出力＝nFE _cell

セル起電力E_cellは、2つの金属の標準電極電位から予測することができます。標準的な条件での亜鉛/銅電池の場合、計算されたセル電位は1.1ボルトです。

シンプルセル

単純細胞は、希硫酸の中に銅（Cu）と亜鉛（Zn）の板を置いたものです。亜鉛が溶けると、銅板上に水素の泡が発生します。この水素の泡が電流の通過を妨げるため、単セルは短時間しか使用できない。安定した電流を流すためには、水素を酸化させるための脱分極剤（酸化剤）が必要である。ダニエル電池の場合、脱分極剤は硫酸銅で、水素と銅を交換する。ルクランシェ電池では、二酸化マンガンが水素を酸化して水に変える。

ダニエル・セル

イギリスの化学者、ジョン・フレデリック・ダニエルが1836年に開発したボルタ電池は、亜鉛と銅、それらのイオンを溶かした溶液を使用していた。

キー

• ジンクロッド＝マイナス端子
• HSO₂₄＝希硫酸の電解質
• 多孔質のポットが2つの液体を分離
• CuSO₄ = 硫酸銅の偏光解消剤
• 銅製ポット＝プラス端子