:計算ドリル、作りました。はじめにこのページでは、ダニエル電池の仕組みや各極での反応、ボルタ電池との違い、素焼き板の役割、起電力を上げるためのポイントなどを解説していく。入試頻出な電池なので必ず理解しておくようにしよう。スポンサーリンクダニエル電池とはダニエル電池は、ボルタ電池の欠点を改善することによって作られた、世界初の実用的な電池である。電極にはZnとCu、電極を入れる溶液にはZnSO4とCuSO4が使われている。ボルタ電池との違いを意識しながら学習していこう。流れてきたe-が(溶液中の)イオン化傾向の小さい陽イオンとくっつくPoint!まずは、電池の仕組みを解説!〜イオン化傾向との関わり・正極と負極・電子と電流の向き〜で説明した3STEPを使ってダニエル電池の仕組みについて説明していこう。STEP1まずは、イオン化傾向の大きい金属板が溶ける。CuとZnではZnの方がイオン化傾向が高い。したがってこの場合Zn板が溶け出す。ZnがZn2+という陽イオンになったので、eーが発生していることも確認しておこう。STEP2次に、STEP1で発生したeーがCu板側に伝わる。このとき、電子が通過することで(電流が発生して)豆電球が点灯していることに注目しよう。STEP3最後に、Cu板に流れてきた電子がCuSO4中に存在しているCu2+とくっつく。負極・正極での反応をそれぞれまとめておこう。負極では、Zn板が溶け出してZn2+と2つのeーができる。正極では、CuSO4中に存在しているCu2+がeーを受け取ることで単体のCuが析出する。e–を受け取るのはCu2+Point!ボルタ電池とダニエル電池では、Zn板からCu板に向かって流れたeーを受け取る陽イオンが異なる。ボルタ電池では、H+がeーを受け取ってH2になるんだったね。(ボルタ電池に関して詳しいことは「ボルタ電池」を参照)ボルタ電池が分極を起こすのは、このH2がCu板の表面に溜まることで次のH+がe–を受け取りづらくなってしまうからだった。ダニエル電池では、Zn板からeーが流れてくると、Cu2+がこれを受け取って単体のCuとなる。生成する物質(Cu)が電極と一緒なので、くっついたところでなにも変化が起きていないのと同じだよね。よって、分極が起こる心配はなく継続的に電気を得ることができるわけだ。電荷のバランスを保つPoint!ダニエル電池において、素焼き板は2つの重要な役割を担っている。順番に説明していこう。素焼き板の役割1素焼き板の1つ目の役割は「2つの溶液(ZnSO4とCuSO4)が混ざるのを防ぐ」というもの。これは、見れば分かるね。(笑)素焼き板の役割2素焼き板の2つ目の役割は「イオンを透過させることで、電荷のバランスを調整する」というもの。ダニエル電池を使い続けていると、負極では次第にZn2+が、正極ではSO42ーが増加していく。(正極でSO42ーが増えるのは、CUSO4から電離したCu2+がCuになることで、相方のSO42ーが余ってしまうから)このとき、陽イオンが増えた負極はプラス側に、陰イオンが増えた正極はマイナス側に電荷が偏っている。この「電荷のかたより」を調整するのが素焼き板だ。素焼き板はイオンを通す性質をもつので、Zn2+が素焼き板を通って正極側に、SO42ーが負極側に移動する。これによって、電気的なバランスが整えられる。CuSO4の濃度を濃くしておくPoint!ダニエル電池において、より大きな起電力を得るためには2つの重要なポイントがある。起電力UPのポイント11つ目のポイントは「ZnSO4の濃度を低くしておく」ということである。はじめから溶液中にZn2+がたくさんあると、(溶けて生成するZn2+の居場所がないため)Zn板が溶解しづらくなってしまう。したがって、より大きい起電力を得るためには「スタート時のZnSO4の濃度を低くしておきZn板をスムーズに溶解させる」ことが重要になる。起電力UPのポイント22つ目のポイントは「CuSO4の濃度を高くしておく」ということである。正極では、Cu2+がeーを受け取り単体のCuとなる。したがって、スタート時に溶液中のCu2+が少ないと、はやい段階でCu2+を使い切ってしまう。Cu2+濃度が高ければ高いほど、たくさんのeーを受け取ることができるんだね。問題(1)両極での反応を、e–を含むイオン反応式で書け。(2)素焼き板の役割を2つ挙げなさい。(3)反応を起こすと、SO42-は何極から何極へ移動するか。(4)ダニエル電池でより大きな起電力を得るためには、初期のZnSO4、CuSO4濃度をそれぞれどうしておくべきか。解答(1)正極:Cu2++2e–→Cu負極:Zn→Zn2++2e–(2)・2つの電解液(ZnSO4とCuSO4)を混ぜない。・2つの電解液の電荷のバランスを調節する。(3)正極から負極(4)・ZnSO4の初期濃度を小さくしておく。・CuSO4の初期濃度を大きくしておく。解説(1)正極:Cu2++2e–→Cu負極:Zn→Zn2++2e–まずは、イオン化傾向の高いZn板が溶け出す。これが負極の反応式だね。次に、Cu板へと伝わってきたe–をCuSO4中のCu2+が受け取って銅が析出する。(2)素焼き板の役割は2つあるんだったね。1つは、正極側のCuSO4と負極側のZnSO4を隔てる役割。1つは、イオンを透過させるという特性を生かし、電荷のかたよりを減少させてバランスを保つ役割。2つ目について少し詳しく。ダニエル電池の両極での反応が進んでいくと、負極ではZn2+が増加し、正極ではCu2+が減少する。このとき、負極は(プラスのイオンであるZn2+が増えたので)プラス電荷にかたよっており、正極は(プラスのイオンであるCu2+がいなくなったので)マイナス電荷にかたよっている。そこで、負極のZn2+は素焼き板を介して正極へと移動し、電荷のバランスを調節するんだ。SO42-もイオンなので移動することが出来る。負極でZn2+が増えることにより、プラスに電荷がかたよってしまっているので、SO42-が正極から負極へと移動をし、このかたよりを軽減している。(3)(2)で説明したように、SO42-は正極から負極に移動する。(4)ダニエル電池でより大きな起電力を得るためには、初期のZnSO4を小さく、CuSO4濃度を大きくしておく必要があったね。前者の理由は、電池の反応が進行するにつれてZn2+の濃度が大きくなってきてしまうから。Zn2+の濃度が大きくなりすぎるとZn板からZn2+が溶けづらくなってしまう。これを避けるために、最初のZn2+濃度は出来るだけ小さくしておく。後者の理由は、e–を受け取るCu2+が多い方が、より長時間e–を受け取り続けることができるからだ。関連:計算ドリル、作りました。入試頻出の計算問題を一通りマスターできるシリーズとなっています。→コメントは受け付けていません。