電池 (化学エネルギー → 電気エネルギー)
電池は酸化還元反応を利用して、化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出す装置です。
基本知識
電池の基本構造:
・負極: イオン化傾向の大きい金属。酸化が起こる(電子を出す)。
・正極: イオン化傾向の小さい金属。還元が起こる(電子を受け取る)。
・電解液: イオンを流して回路を完成させる。
外部回路では負極から正極へ電子が流れ、これが電流の正体です(電流の向きは電子と逆)。
代表的な電池:
・ボルタ電池(Zn|希H2SO4|Cu): 起電力約 1.1 V (理論)、分極が課題。
・ダニエル電池(Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu): 素焼き板で電解液を分け、安定動作。約 1.1 V。
・鉛蓄電池(Pb|H2SO4|PbO2): 自動車バッテリー。充電可能(二次電池)、約 2.0 V/セル。
電池（化学エネルギーを電気エネルギーに変える装置）
負極（酸化が起こる電極。電子を放出。イオン化傾向が大きい）
正極（還元が起こる電極。電子を受け取る。イオン化傾向が小さい）
電解液（イオンを通すための溶液。回路を成立させる）
一次電池（充電不可。マンガン乾電池・アルカリ乾電池など）
二次電池（充電可能。鉛蓄電池・リチウムイオン電池など）
深掘り (背景・意義)
ダニエル電池の各極の反応 (電池式 (-) Zn | ZnSO4 aq || CuSO4 aq | Cu (+)):
・負極: Zn → Zn2+ + 2e- (酸化)
・正極: Cu2+ + 2e- → Cu (還元)
・全反応: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
鉛蓄電池(放電時):
・負極: Pb + SO42- → PbSO4 + 2e-
・正極: PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- → PbSO4 + 2H2O
近年はリチウムイオン電池(高エネルギー密度・軽量)、燃料電池(H2 + O2 → H2O、水しか出さない)が脚光を浴びています。電池技術は EV や再エネ社会のキーです。
- 負極 = 酸化 = イオン化傾向 大
- 正極 = 還元 = イオン化傾向 小
- 電子は負極 → 外部 → 正極へ流れる
- 電流の向きは電子と逆
- ダニエル電池: Zn(-)/Cu(+)、約 1.1 V
- 鉛蓄電池: Pb(-)/PbO2(+)、二次電池
- 一次電池 = 使い切り、二次電池 = 充電可能
注意点 (混同しやすい)
① 電子は負極から正極、電流は逆向き(正極→負極が外部回路で正の電流)。② 負極で酸化、正極で還元(電気分解とは異なる用語に注意)。③ ボルタ電池の分極: 正極で H2 が発生して電圧が落ちる現象。④ 一次電池(マンガン乾電池等)と二次電池(鉛蓄電池・リチウムイオン)を区別。
練習
- ダニエル電池で負極になる金属を答え、起こる反応式を書きなさい。
- 鉛蓄電池の正極の物質は何か。
- 充電可能な電池を一般に何電池というか。