化学基礎 / 酸化還元反応
電池の原理(化学電池の基礎)
要点整理
電池の原理
金属のイオン化傾向の違いを利用すると、酸化反応と還元反応を、離れた2つの場所(電極)に分けて起こすことができます。このとき、酸化反応で放出された電子を、導線を通して還元反応が起こる場所まで運んでやれば、その電子の流れを電流として外部で利用できます。これが電池の基本原理です。
電池には2つの電極があります。
- 負極:酸化反応(電子を失う反応)が起こる電極。外部回路に電子を送り出す。
- 正極:還元反応(電子を得る反応)が起こる電極。外部回路から電子を受け取る。
2種類の金属を電解質水溶液に入れて電池をつくる場合、イオン化傾向の大きい方の金属が負極になります。イオン化傾向が大きい金属ほど電子を失いやすい(酸化されやすい)ためです。
なお、電池の「正極・負極」という呼び方は、後の単元で学ぶ電気分解の「陽極・陰極」という呼び方とは、名前も基準も異なるので混同しないようにしましょう。電池は自発的に進む酸化還元反応を利用して電気を取り出す装置であるのに対し、電気分解は外部から電気エネルギーを加えて、自発的には進まない反応を無理に起こす操作です。
ボルタ電池
ボルタ電池は、亜鉛板と銅板を希硫酸に浸し、導線でつないだ、最も基本的な電池です。
亜鉛は銅よりイオン化傾向が大きいため、亜鉛板が負極になります。負極では亜鉛が電子を失って溶け出します。
$\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}\quad(負極)$
放出された電子は導線を通って銅板(正極)に流れ込み、そこで水溶液中の $\ce{H+}$ が電子を受け取って水素ガスになります。
$\ce{2H+ + 2e- -> H2}\quad(正極)$
2つの反応をまとめると、電池全体では次の反応が起こっていることになります。
$\ce{Zn + 2H+ -> Zn^2+ + H2}$
起電力と分極
電池の2つの電極間に生じる電圧を起電力といいます。一般に、2つの電極のイオン化傾向の差が大きいほど、起電力は大きくなる傾向があります。
ボルタ電池の理論上の起電力は約 $1.1\ \mathrm{V}$ ですが、実際に電流を流し始めると、電圧はすぐに低下してしまうという欠点があります。この原因は、正極(銅板)の表面に発生した水素の気泡が電極表面を覆ってしまい、電極と水溶液の接触を妨げて反応の進行を遅くしてしまうことにあります。この現象を分極といいます。
歴史的には、この分極を防ぐために、水素を酸化して水に変えてしまう減極剤(例:酸化マンガン(Ⅳ) $\ce{MnO2}$)を正極付近に加える工夫がなされ、より実用的な乾電池へと発展していきました。
例題
例題1(基本)
問題
ボルタ電池における負極・正極それぞれの反応式を書け。
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亜鉛板が負極、銅板が正極です。負極では亜鉛が酸化されて溶け出し、正極では水溶液中の水素イオンが還元されて水素ガスが発生します。
答え:負極 $\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}$、正極 $\ce{2H+ + 2e- -> H2}$
例題2(標準)
問題
ボルタ電池の負極で、亜鉛(原子量65)が $6.5\ \mathrm{g}$ 反応して溶解した。このとき発生する水素は、標準状態で何Lか。
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反応した亜鉛の物質量を求めます。
$\ce{Zn}の物質量 = \frac{6.5}{65} = 0.10\ \mathrm{mol}$
電池全体の反応式 $\ce{Zn + 2H+ -> Zn^2+ + H2}$ から、$\ce{Zn}$ と $\ce{H2}$ は物質量の比が $1:1$ で発生することがわかります。したがって、発生する $\ce{H2}$ も $0.10\ \mathrm{mol}$ です。標準状態で気体1molの体積は $22.4\ \mathrm{L}$ なので、
$V = 0.10\times22.4 = 2.24\ \mathrm{L}$
答え:$2.24\ \mathrm{L}$
例題3(応用)
問題
ボルタ電池について、次の問いに答えよ。
(1) 亜鉛板と銅板のうち、どちらが負極になるか。理由とともに答えよ。
(2) 電流を流し続けると、電池の電圧が徐々に低下していく現象が見られる。この現象の名前と、その原因を説明せよ。
(3) (2)の現象を防ぐために使われる物質を1つ挙げ、そのはたらきを説明せよ。
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(1)
亜鉛は銅よりイオン化傾向が大きく、電子を失いやすい(酸化されやすい)ため、亜鉛板が負極になります。
(2)
この現象を分極という。正極(銅板)の表面に発生した水素の気泡が電極表面を覆ってしまい、水溶液と電極の接触が妨げられるため、正極での反応が進みにくくなり、電池の電圧が低下する。
(3)
減極剤(例:酸化マンガン(Ⅳ) $\ce{MnO2}$)を用いる。減極剤は酸化剤としてはたらき、正極表面にたまった水素を酸化して水に変えることで、気泡による電極表面の被覆を防ぎ、電圧の低下を抑える。
答え:(1) 亜鉛板(イオン化傾向が銅より大きいため) (2) 分極(正極の水素の気泡が反応を妨げるため) (3) 減極剤(例:$\ce{MnO2}$、水素を酸化して水に変えるはたらきをもつ)
練習問題
問題
電池において、還元反応が起こり、外部回路から電子を受け取る電極を何と呼ぶか答えよ。
答え
正極