食塩水を電解質溶液とする化学電池について

すみません，中学3年生ですが，次のことについてご指導ください。よろしくお願いいたします。

「食塩水を電解質水溶液，金属板を亜鉛と鉄とした化学電池について，食塩水の濃度を濃くすると流れる電流の大きさが大きくなるのはなぜか。『イオン』という語を用いて説明せよ」という問題です。

化学電池で電流が流れる理由についての，私のこれまでの理解は以下のようなものです。

亜鉛の方が鉄よりイオン化傾向が大きいので亜鉛が食塩水に溶けだす→亜鉛板に電子を残す→鉄板よりも電子が過剰になるので導線を通って鉄板に移動する→水溶液中の水素イオンはナトリウムイオンよりもイオン化傾向が小さいので，鉄板に移動し，電子を受け取って水素となって発生する

ここで私が悩んでいるのは，「食塩水の濃度が濃くなる→NaClが多くなる」ことと電流の大きさが大きくなるのがどうつながるか，という点です。上の私の理解では，電流の大きさは水素イオンの数に応じて大きくなったり小さくなったりするのであって，NaイオンやClイオンの数とは結びつかないのですが…

それとも上記の私の理解のどこかに誤りがありますか。

どなたかお詳しい方，ご助言いただけたら幸いです。よろしくお願いいたします。
（私は中学3年生ですが，私立で一部高校の内容も学んでいるので，高校生向けのご説明でも代位丈夫だと思います）

No.1 ベストアンサー 回答者： htms42 回答日時： 2014/03/27 08:14

中学校や高校で電池を扱う場合は構造のはっきりした典型例でやるべきだと思います。

理屈ははっきりしないがとにかく電流が流れるというレベルの電池について含まれている物質の役割を質問しても明確な答えは出てきません。そういう意味でボルタ電池は扱わないとなっていたはずなんですがいつの間にか復活してしまったようですね。銅、亜鉛、食塩水のボルタ電池でさえ解説はあいまいです。鉄、亜鉛になるともっとあいまいになるでしょう。（電気化学の専門家で「ボルタ電池」をキチンと説明しようと思っている人はほとんどいないのではないでしょうか。「過去の遺物」なのです。したがって出回っている説明は何十年も前の化石のようなモノだけです。この説明は一度消えた単元を復活させて得意げな顔をしている人たちに責任を取ってもらわないと仕方がありません。ただし、後で出てくる酸化・還元反応の理解の妨げになるようなものを書かれると困ります。）

電池は「酸化・還元反応に伴う電子の移動を外部回路に取り出して利用する装置」です。酸化剤の反応、還元剤の反応がはっきりと書き下すことができないものを電気が流れるというだけで持ち込むことは避けるべきです。
※銅、亜鉛、食塩水のボルタ電池について
　　Ｚｎ→Ｚｎ^2+　＋２ｅ^-
　　２Ｈ^+＋２ｅ^+　→Ｈ２
　と書いてあるのをよく見ます。
　これは１つにまとめると
　Ｚｎ＋２Ｈ^+　→　Ｚｎ^2+＋Ｈ２
　という反応と同じになります。
　硫酸を使った電池であれば起こるでしょうが食塩水では起こらないはずです（「亜鉛は酸とは反応するが常温の水と反応しない」というのはどの教科書にも載っている必須項目です。Ｍｇだとゆっくりと反応が起こります。何とかわかるという限界です）。自発的に起こらない反応は電池として利用できません。
　こういう説明ではだめだということは３０年前でも十分に了解されていたはずのものなのですが、またそのまま復活しています。もう、うんざりです。

ＮａＣｌは酸化剤にも還元剤にもなりませんから質問者様の疑問はもっともなのです（ただ、電流が水素イオンで決まるというところは「？？？」です。）。酸化剤にも還元剤にもならない物質の存在がなぜ必要かについてまともに答えている解説はほとんどないのではないでしょうか。

＞食塩水を電解質水溶液，金属板を亜鉛と鉄とした化学電池について，食塩水の濃度を濃くすると流れる電流の大きさが大きくなるのはなぜか。『イオン』という語を用いて説明せよ」

いかにも実験的に確認されたものであるかの様に書かれています。中学校での問題ですからよく知られている現象であるということも前提になりますね。本当でしょうか。
ソーラーモーターはどれくらい回るのでしょうか。食塩水の濃度をどのように変えているのでしょうか。
蒸留水ではうまく回らないが食塩水では回るという意味でのことでしょうか、それとも５％の食塩水と１０％の食塩水で電流値が変わるということを言っているのでしょうか。

昔、「イオン化傾向の異なる2つの金属と電解質溶液があれば電池になる」という説明が出回っていました。この問題もそれにのっとってのもののように見えます。電流は電解質のイオンが移動することで生じるという説です。現在は「電極表面でおこる酸化・還元反応によって電子の移動が実現する」という立場で考えています。高校の教科書では、電池は酸化・還元反応の単元の中で出てきます。

この回答へのお礼

ありがとうございました。おかげさまで、疑問点が解決しました。問題が不備だったんですね。春休みが開けたら、宿題として出した化学の先生に軽く文句をいおうと思います(こちらでお聞きしたとは言わず)。大変助かりました。

お礼日時：2014/03/28 19:24

No.2 回答者： rock_name 回答日時： 2014/03/27 09:35

イオン化傾向の差で説明がつくのは、電解液が硫酸の時です。

食塩水の場合は、イオン化傾向の差による反応というより、酸化還元反応が起きています。

「亜鉛の方が鉄よりイオン化傾向が大きいので…」とありましたが、この原理で電子が動くなら、電解液は水でも良い(電解…というより、ただの液？！)とは思いませんか？ 極板のイオン化傾向に差があれば、電解液は何でも良いという理論になってしまいます。(実際水でも流れますが、微々たるものです)


では具体的にどんな反応が起きているかというと、

+) O2+2H2O+4e→4OH-
-) Zn→Zn2+ + 2e
※ちなみにこの後、Zn(OH)2となって沈殿

となります。「この反応でも、やっぱ電解液関係ないじゃん！」と思うかもしれません。しかし酸素が水酸化物イオンになる過程に、極板Cuや電解液NaClが深く関わっています。
この酸素は、溶液中に溶けている酸素or銅板の表面の酸化銅CuOから来ます。なので、銅板は一定時間ごとに溶液から出したりしなければ、O2不足で電流は止まります。


そもそも食塩水バージョンのボルタ電池を説明するとなると、かなり複雑でややこしい話になります。しかもここまで読んでいて気づいたと思いますが、極板をFeではなくCuとして話を進めています。なぜなら、極板Zn,Feと食塩水ではかなり弱い電気しか流れないからです。
なのでこの問題の出題者は、かなり高いレベルでの話を要求しているか、硫酸の時と食塩水の時の違いも知らず安易に問題を作ったかのどちらかでしょう。

この回答へのお礼

ご助言、本当に助かりました。rock_name様のご回答もとても分かりやすかったのですが、お二人とも内容で差をつけることはできなかったので、速くご回答してくださった方をBAにさせていただきました。申し訳ありません。今後もよろしくお願いいたします。

お礼日時：2014/03/28 19:29