ガルバニ電池

化学電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものです。ほとんどの電池は化学電池である。電池の中で化学反応が起こり、電流が流れるのである。

電池には大きく分けて、充電可能なものとそうでないものがあります。

充電できない電池は、中に入っている化学物質を使い切るまで電気を出す。そうなると、もう使い物にならない。これはまさに「使い捨て」と言えるでしょう。

二次電池は、電池に逆方向に電流を流すことで充電し、再び使用して電気を作ることができる。この二次電池を発明したのは、1859年にフランスの科学者、ガストン・プラントである。

電池には、おもちゃやカメラに使われている非常に小さなものから、自動車に使われているもの、さらには大きなものまで、さまざまな形があります。潜水艦は非常に大きな電池を必要とします。

化学電池の種類

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。

Zn(s)→Zn2+(aq)+2e -

亜鉛の「半反応」は、電子を失うので酸化に分類される。酸化が起こる端子を「負極」と呼ぶ。電池で言えばマイナス端子にあたります。

 

銅の「半反応」は、電子を獲得するので、還元に分類される。還元される側の端子を「正極」といいます。電池で言えばプラスの端子にあたります。

Cu2+(aq) + 2e --> Cu(s)

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SO42-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Ecell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(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)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に変える。

シンプルセルZoom
シンプルセル

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
ダニエル・セルの図Zoom
ダニエル・セルの図

質問と回答

Q:化学電池とは何ですか、またその目的は何ですか?


A: 化学電池とは、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。化学反応により電流を発生させることを目的としています。

Q: ほとんどの電池は何ですか?


A: ほとんどの電池は化学電池です。

Q: 電池の中では何が起こって電流が流れるのですか?


A:電池の内部で化学反応が起こり、電流が流れます。

Q: 電池には何種類あって、どんなものがあるのですか?


A:大きく分けて、充電式と非充電式の2種類があります。

Q:充電式でない電池を使い切るとどうなるのですか?


A:非充電式電池は、中の化学物質を使い切るまで電気を供給することができます。そうすると、もう使えなくなるので、捨てることができます。

Q:二次電池はいつ、誰が発明したのですか?


A:充電式電池は、1859年にフランスの科学者ガストン・プランテによって発明されました。

Q: 電池にはいろいろな大きさがありますが、大きな電池を必要とする機器の例は何ですか?


A: はい、電池には様々な形や大きさがあります。大きな電池を必要とする装置の例としては、潜水艦があります。

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