最近では、リモコンや掛け時計などに使われている電池。ここでは電池とは何でできているのか、また様々な種類の電池の化学反応や電子の流れについて説明していく。
電池の原理
(イオン化傾向の異なる)二種類の金属を電解質溶液に浸して導線で結ぶと、電流が流れる。この時、イオン化傾向の大きな金属は酸化され、生じた電子が導線を通って他方の金属へ流れて還元反応が起こる。この一連の酸化還元反応を利用して電気エネルギーを取り出す装置を電池(化学電池)という。
このとき、二種類の金属を電池の電極といい、導線に向かって流れる電流を負極、導線から電子が流れ込む電極を正極という。電池の負極では酸化反応が、正極では還元反応が起こっている。また、正極と負極の間に生じている電圧を起電力という。
イオン化傾向
イオン化傾向とは、金属の単体が水溶液中で陽イオンになろうとする性質のことをいう。電池で用いる2種類の金属はイオン化傾向が異なっていなけらばならず、この差が大きいほど起電力は大きくなる。イオン化傾向の大きさは金属によって異なり、イオン化傾向の大きい金属ほど(電池の場合では)相手の金属に電子を与えて陽イオンになりやすい。
以下にイオン化傾向の大きなものから順に並べた列(イオン化列)を示す。
Li ＜ K ＜ Ca ＜ Na ＜ Mg ＜ Al ＜ Zn ＜ Fe ＜ Ni ＜ Sn ＜ Pb ＜ (H2) ＜ Cu ＜ Hg ＜ Ag ＜ Pt ＜ Au
ダニエル電池
ダニエル電池とは、亜鉛板を入れた薄い硫酸亜鉛 ZnSO4溶液と、銅板を入れてた濃い硫酸銅(Ⅱ) CuSO4溶液を、両方の水溶液が混ざらないようにセロハンや素焼き版などで仕切った構造の電池をいう。
ダニエル電池の構成は以下のように表される。一般に、電池の構成の表し方は、左に負極、中央に電解液、右側に正極の順に化学式で記す。aqは、aquaの略であり、水溶液であることを示す。
(－)Zn | ZnSO4 aq | CuSO4 aq | Cu (+)
以上より、イオン化傾向の大きい金属である亜鉛(板)が負極となり、イオン化傾向の小さい銅(板)が正極となる。Zn原子は負極に電子を放出し、Zn2+となって溶け出す。その放出された電子は導線を通って正極の銅(板)へ移動し、CuSO4水溶液中のCu2＋を還元させ、Cuとなって銅が析出する。
Zn → Zn2+ ＋ ２eー
Cu2＋ ＋ ２eー → Cu
一次電池(ex. マンガン電池)
一次電池とは、放電し続けると起電力が低下し元み戻らない電池のことをいう。マンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池などがある。
マンガン電池とは、亜鉛Znおよび酸化マンガン(Ⅳ)MnO2を塩化亜鉛ZnCl2を主成分とし、それに少量の塩化アンモニウムNH4Clを電解液とした構造の電池をいう。マンガン電池の構成は以下のように表される。
(ー)Zn | ZnCl2 aq, NH4Cl aq | MnO2 (+)
二次電池(ex. 鉛蓄電池)
二次電池(蓄電池)とは、放電時とは逆向きに外部から電流を流すと起電力を回復することができる電池のことをいう。鉛蓄電池やリチウムイオン電池などがある。
鉛蓄電池とは、鉛Pbおよび酸化鉛(Ⅳ)PbO2を希硫酸に浸した構造の電池をいう。鉛蓄電池の構成は以下のように表される。
(ー)Pb | H2SO4 aq | PbO2(+)
PbO2に比べて酸化されやすいPbが負極となり酸化される。放電させると両極ともに水に溶けにくい硫酸塩(Ⅱ)PbSO4でおおわれていき、電解液の硫酸の濃度は低下していく。
Pb + SO42- → PbS4 + 2eー
PbO2 + 4H+ + SO42ー ＋ 2eー → PbSO4 + 2H2O
長時間放電すると、起電力は次第に低下していく。そこで外部から電流を流すことで、鉛蓄電池を充電することができる。この時の反応を以下に示す。右向きの反応では放電、左向きの反応では充電を示している。
Pb ＋ PbO2 ＋ 2H2SO4 ⇄ 2PbSO4 + 2H2O
燃料電池
燃料電池とは、水素と酸素の反応を利用した電池である。燃料(水素)を用いることで,化学エネルギーを直接電気エネルギーに変える装置となる。上記に示した一次電池や二次電池は、蓄えられた電気を取り出す「電池」であるが、燃料電池は電気を継続的に取り出すことができる「発電装置」という違いがある。
燃料電池として近年よく使われているのは、水素H2と空気中の酸素O2に電解液となるリン酸水溶液を用いたものである。上記で示した燃料電池の構成は以下のように示される。
(ー)H2 | H3PO4 aq | O2(+)
水素H2が負極となり酸化され、正極では酸素O2が還元される。ここで、電池内部の2つの電極間の電解質は、H＋だけを通す。
2H2 → 4H+ +4eー
O2 + 4H+ + 4eー → 2H2O
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