亜鉛|食塩水|銅板 で化学電池を考えます。
ー極の亜鉛が電子を残し亜鉛イオンとなり水溶液中へ ・・ これはわかります
+極は,銅の酸化物や銅表面の酸素が反応して(電子を受け取り)水酸化物イオンを作る ・・ これも分かります。
ですが,この2つが起こるためには,食塩水などの電解質の水溶液でないとダメでしょうか。両極での反応は,純粋や砂糖水などの非電解質の水溶液でも起こりそうです。
調べたら,亜鉛イオンがー極から拡散するために水溶液中にイオンが必要なのだ。との記載を見つけましたが,これは私の頭では納得できません。
当方は,50代の数学教諭です。久しぶりに,理科を指導しろと命を受け勉強していたところこの疑問にぶつかり,悶々としています。よろしくお願いいたします
No.12ベストアンサー
- 回答日時:
化学に若干強い数学徒が知り合いにいるんで,ちょっと聞いてみたら,私の説明に若干誤りがあるようで,「純水では水素イオンと水酸化物イオンには分かれないけど,電解質を混ぜると電解質がイオンに分かれるのと同時に,水についても水素イオンと水酸化物イオンに分かれる」とのことです。
そうすると確かに,食塩水が電気を通す原理をイオン伝導ととらえても,それだけイオンがあれば,電気は通すし,亜鉛が亜鉛イオンになるけど,ナトリウムイオンはそのままだし,水素イオンが水素になりそうな気がするけど,水素イオンより銅の方がイオンになりたがらないから,水素イオンのままだし,銅板の電極については本質は燃料電池と一緒だから,酸素と水と電子で水酸化物イオンができるのだ,でも純水や砂糖水のような非電解質だと水が水素イオンと水酸化物イオンに分かれることもなく,電気を通さないから電池として成立しないというので八方まるくおさまりそうな気がします。
ただ,個人的には「食塩水が電気を通すのはイオン伝導なの?」って気はしています。
自由電子による伝導かイオン伝導か絶縁体なのかという分類をすれば確かにイオン伝導なのでしょうが,絶縁体か否かは相対的なもので,かける電圧その他によって,電気を通すことはいくらでもあるわけです。(空気は一般的には絶縁体ですが,高圧で電気が通る自然現象を「雷」というわけで。)
同じように真空でも条件次第で電気は通るわけで(昔のテレビのブラウン管),媒体がないと電気が通らないとか,化学変化がないと電気が通らないとかいう発想が私にはまるでなく,そのあたりに説明をしていてもどかしさを感じているのもあります。
……もっとも電子化学の渡辺正先生が,「食塩水の電気分解に必要な電圧は1.7Vで,それ以下だと電気を通さない」なんて断言しているのをどこかで見た気がするので,それに私ごときが刃向かうのはおそれおおいのですが,「何もなくたって条件がそろえば電気が通るんだから,イオンがうじゃうじゃいればそりゃあ通るでしょ。だけど金属通る時より抵抗は大きいけどね」としか思えないのです。
何度もお手間をかけてしまって,ありがとうございます。電解質を加えると初めて水が電離するということであれば,つじつまが合いますね。(なぜそうなるかの疑問は残りますが)
食塩水が電気を通すのは,長ーい目で見ればイオン伝導かなと思っています。(そう理解した方が私の頭の中ですっきりするからです) ただ,実際は電極付近のごくごく狭い範囲でのイオンとの電子のやり取りになっていることも理解しているつもりです。
補足でかきましたように,硫酸ナトリウム水溶液が電気を通す理屈の方で,本件を解決させようと思い,次のサイトを見つけました。なんとなーくわかったような気がしました。
http://fchem.4rm.jp/log/rika/10668.html
何人かの親切な方が繰り返し書き込みをしてくださったおかげです。特にwhiteferretさんの書き込みがいろんなアドバイスになりましたので,BAにさせていただきます。
ここまでお付き合いいただきありがとうございました。
No.11
- 回答日時:
お礼ありがとうございます。
結局のところ、塩素イオン、硫酸イオンといった、金属イオンと結合しないが、電気的に負の電荷を帯びている酸の存在が、亜鉛をイオン化させ、電極から亜鉛イオンを剥がして、分極を防いでいるということでしょうかね。
お付き合いいただきありがとうございます。
塩化物イオンが増えることで,亜鉛が亜鉛イオンになりやすくなるというお考えですね。陽極でいえば,ナトリウムイオンが増えることで,酸化銅の酸素や気体としての酸素が水酸化物イオンを作りやすくなるということでしょうか。
でも,陰イオンの近くには必ず電気的に同数の陽イオンが存在すると思いますので(陽イオンの近くには電気的に同数の陰イオン),電気的には中性だと思のですが。どんな仕組みでというか,どんな振る舞いでというか,どんな途中があってというか,なぜそうなるのでしょうねぇ。
No.10
- 回答日時:
問題を切り分けたいのですが,電池内部で極板に電子がたまり続けるような状態のままでは,直流電流は流れないということを承認していただけるでしょうか?
そこを承認していていただけるのであれば,疑問の焦点は「電解質はどうやって電気を通すのか?(非電解質はなぜ電気を通さないのか)」というところに落ち,その本質は「良導体(金属)はどうやって電気を通しているのか?(絶縁体はなぜ電気を通さないのか)」という点に落ちそうな気がしますがいかがでしょう?
(絶縁体も全く電気を通さないわけではない……というのは物理の話)
金属が電気を通す場合金属原子が移動しているわけではないですよね?
電解質の場合はイオンが移動していないと言うつもりはありませんが
さりとて化学変化がないと電子の移動ができないものでもないでしょう?
(真空だって電子は移動できる。条件が整えば。)
(実はこの質問も教えて!gooで出ています。)
水もわずかに電離していて水素イオンが存在しているのはそのとおりですが,
おおざっぱに暗算しただけですけど,その水素イオンの量と電荷から見て
十分無視できる量にしかなりませんでした。
(これも化学というより物理の話)
水酸化亜鉛の作用はそれほど大きくないという点は同意です。
立ち返って「電池内部で極板に電子がたまり続けてもいいのだ」という点で疑問であれば,
これは論より証拠で実験しちゃった方が早いと思います。
+極と-極を別々の食塩水入りビーカーに入れて,極板をつないで電流が流れるかという実験です。
……流れるのであれば,私の説明が根本的に誤りってことになります。
何度もお付き合いいただき感謝です。切り分けの件,もちろん了解です。
電解質が電流を流す役目を担っているのは,電極付近でで電解質由来のイオンが消費されしまい,極付近で少なくなってしまったイオンを補おうとバランスを取る力が働いて,他の場所にあったその消費されたイオンがその極に集まってくる。このイオンの移動が電解質水溶液が電子を運搬することになっていると私は考えています。
純水では,亜鉛が亜鉛イオンとなっても+極の電子を受け取るイオンが極端に少ない(水が電離したH+)ので,電池として成立しない。塩酸にすると,H+は塩酸由来でたくさんあるので電池として成立する。H+が消費されイオンの移動が伴うので,水溶液中に電流が流れることとなる。食塩水では・・・???
電解質水溶液が,電流を通す媒体になっているということも,酸であればH+が電極で消費されるからH+の移動を伴う。アルカリであればOH-が電極で消費されるからOH-の移動が伴う。食塩水ではCl-が陽極で消費されるから,Cl-の移動がある。と電解質中を流れる電流もイオンの移動で,私は考えています。
食塩水電池の場合,Na+もCl-も極で消費されないと思うので,イオンの移動が私には考えられないのです。
No.9
- 回答日時:
お礼ありがとうございます。
硫酸銅水溶液(塩酸)は、硫酸銅水溶液もしくは塩酸の意味でした。紛らわしくてすみません。
ご質問の意味がようやくわかった気がします。他の方への回答に対するお返事最もだと思います。私なりにもいろいろ調べてみました。
結論から言えば、電解質水溶液である必要はないと思います。
そもそも亜鉛がイオン化するときに生じるエネルギーが元となって電流が流れ、水素が発生するのであるから、通常亜鉛がイオン化する酸の存在下でなければ、反応は起きないわけですが、厳密に言えば、純水だって食塩水だって亜鉛は微量ながら溶解するわけで、水素よりも亜鉛の方がイオン化傾向が低い以上、電気が流れ、水素が発生するでしょう。
分極の問題や水素イオン濃度の問題は当然ありますが、ご指摘の通り、ナトリウムイオンと塩素イオンの有無は関係ないでしょう。
ただ、そもそも食塩水の化学電池を持ちだすと、亜鉛が食塩水や純水に溶けるという事実を持ちださなければならず、授業であえて触れない方が良いのではと思います。
何度もありがとうございます。ナトリウムイオンと塩化物イオンが無関係なら純水でも砂糖水でも流れるのでは?と私は思います。が,実験結果は違うのです。純水や砂糖水では電池として成立しないのです。なので,悩んでいます。
電解液として食塩水を用いるものは,実験でも扱いますし教科書に載っていますので触れますが,私自身が納得していない以上,その理屈については授業ではしないつもりでいます。ご心配いただきありがとうございます。
No.8
- 回答日時:
コメントもいただけたので,自分の予想を検討していただく意味からも,私が考えている正解の予想を書きます。
電池の話をするのは
「物質には電子がある意味ちょうどいい「イオン」と別の意味でちょうどいい「イオンでないもの」がある」
「イオンとイオンでないものとは電子の数が違う」
「物質の性質として電子の受け渡しによってイオンになったりイオンでないものになったりする際
なりやすさの違いがある」
「それをうまく使うと,電子の流れを取り出してエネルギーとして使うことができる」
「それの実用例が電池」
ということを教えることだと私は考えています。
これをふまえて「うまい使い方」を考えていくのですが
イオンへのなりやすさを考えると
イオンとイオンでないものとの間にはある種の壁があって
条件を整えてその壁を越せるようにしてあげないと
イオンになったり,イオンでないものになったりすることはできないはずなんです。
例えば「亜鉛」を真空中に置いていても,亜鉛イオンに変わるわけではないですよね?
また亜鉛を空気中に置いていても空気中の酸素と結合して酸化亜鉛にはなるでしょうが
亜鉛イオンにはなりません。
それと同じように(不純物を一切含まない)純水中に漬けても
それだけで亜鉛イオンになる理屈はないと思います。
これ,塩酸だったらわかりますよ。
塩酸は水素イオンと塩素イオンに電離している
水素と亜鉛では亜鉛の方がイオンになりやすい
そこで水素イオンと亜鉛を接触させると亜鉛が電子を放出して水素イオンがその電子を受け取って
亜鉛イオンと水素(単体)が発生します。
純水もごくわずか水素イオンと水酸化物イオンに電離しているけど
とてもじゃないが,目に見えて反応するほどの量ではないので
純水は電離していないと考えていい。
そうすると,亜鉛を水に漬けただけでは亜鉛イオンにはならず,
どっかに電子の供給先を見つけてあげないとだめです。
そこで2014年の教えてGooで同じ質問をした方に
食塩水の電池は典型例じゃなく理論的にも明快じゃないから学習指導要領からなくなったはずなのに,いつのまにか復活している。
と嘆きながら解説した方がおられましたが
その後,日本学生科学賞の文部科学大臣賞や日本化学会北海道支部奨励賞をとった
旭川東高校2年(当時)の高成壯磨さんの研究成果である
「+極で起こっているのは,酸素と水と電子から水酸化物イオンが発生すること」を採用すると
+極の銅と-極の亜鉛をつなぐことで
亜鉛が電子を放出して亜鉛イオンになることができます。
その電子の受入先は酸素と水の反応による水酸化物イオンです。
でもそれだけでは電「流」にはなりません。
ある程度は亜鉛イオンと水酸化物イオンが接触することで水酸化亜鉛が生成されることで
ループが完成するけど
そのほかは水溶液中の電解質が電子を運ぶことでループが完成します。
(このあたりの説明は例えば山口大学の堤宏守研究室のサイト参照)
だから,亜鉛と銅による電池は電解質を使用しないとだめなんだ
純水や非電解質の水溶液だとだめなんだってことなんだと考えています。
ありがとうございます。かいていただいたお話,"電解質が電子を運ぶ"までは大変よく分かります。gooの過去の質問や旭川の高校生の研究(立派ですねぇ)のページも見ていました。両方の電極での電子の授受やイオンの関係は納得できるのです。亜鉛イオンと水酸化物イオンが瞬時に結びついて水酸化亜鉛になるなら分かりやすいのですが,イオンの移動はそんなに早く起こらないと思います。
電解液が塩酸や希硫酸であれば,+極近くの水素イオンがどんどん電子を受け取って水素ガスになるので,+極付近の水素イオンがどんどん消費され,結果他の場所から水素イオンが集結することになると思うので,電解液中のイオンが電子を運ぶような結果になるのは分かります。しかし,食塩水では,ナトリウムイオンも塩化物イオンも電極付近で消費されないと思うのでいったい何が電子を運んでいるのだと考えてしまいました。ナトリウムイオンが+極付近に集まる代わりに,水の電離からごくわずかに生じていた水素イオンが集まるのでしょうか。(水の電気分解で陰極に水素が発生するように)そうであっても結局,ナトリウムイオンと塩化物イオンが無関係なら,純粋や砂糖水だってごくわずかに水素イオンはあるだろうに…。
山口大学の堤先生のサイトは見つけましたが,その中で私の知りたい部分は見つけられませんでした。(これからも探してみます)
貴重なお時間を割いて,私の疑問に答えていただきありがとうございます。
No.6
- 回答日時:
50代医者です。
素人が口を挟むのは心苦しいのですが、結局のところ、化学電池は亜鉛板の溶解から話が始まると思います。
ですからそもそも食塩水では化学反応が起きず、亜鉛を溶かすような硫酸や塩酸でないとそもそも反応が始まらないですよね。
おそらく電気分解と混同されていらっしゃるのではないかと思います。
ありがとうございます。亜鉛|食塩水|銅の組み合わせは,たしかボルタの電池の初期バージョンかと,もっと起電力を高めるために希硫酸に変えたということだったと思います。実際,実験でも電流は取り出せます。
No.4
- 回答日時:
最初,正解と予想していることを書こうかと思ったけど,いきなり書くのもあれかなって流れのようなので。
別の予想をします。
>ー極の亜鉛が電子を残し亜鉛イオンとなり水溶液中へ ・・ これはわかります
>+極は,銅の酸化物や銅表面の酸素が反応して(電子を受け取り)水酸化物イオンを作る ・・ これも分かります。
ここが実はわかってないんじゃないか,と。
亜鉛とアルミニウムで化学電池を作って,その原理を説明しなさいってなった時に,亜鉛をマイナス極にしちゃいそうとか,同じ亜鉛と銅で作るダニエル電池での原理が実は説明できないとか。
「なんで単体のまま,イオンのままじゃいられないの?」とか。
お答えありがとうございます。ダニエル電池,納得できたつもりです。亜鉛とアルミニウムの組み合わせは,イオン化傾向(専門的には違う表現があるらしいのですが)の上位下位のことかなと。亜鉛がイオンになるのも水素イオンとのイオン化傾向で比べて,かと思います。イオンのままじゃ・・につきましては,ちょっとどんなご質問なのかイメージできなくて,答えられませんが。
お探しのQ&Aが見つからない時は、教えて!gooで質問しましょう!
似たような質問が見つかりました
- 化学 高校化学 電気分解について 2 2022/10/09 12:00
- 化学 化学 ボルタ電池 4 2022/07/11 22:17
- 化学 水酸化アルミニウム水溶液と水酸化亜鉛は塩基性水溶液ですか?また、これらに塩酸を加えた反応は中和反応と 1 2023/01/08 15:47
- 高校 化学の計算問題です。どうか教えていただきたいです。 1 2022/05/26 20:54
- 化学 化学基礎の酸化還元反応について なぜ硫酸亜鉛水溶液と銀は変化が起きないのですか? 1 2023/05/15 21:25
- 化学 沈殿生成反応の化学反応式の書き方を教えてください。 2 2022/09/15 06:50
- 化学 電離している硝酸銀水溶液に銅を入れたとき、 銀イオンは銅の電子を受け取って銀になりますが、 硝酸イオ 2 2022/12/24 17:17
- 化学 化学・電気分解 電解液は水酸化ナトリウム水溶液 極板は白金を使用した時 陽極ではOH⁻ 陰極ではH₂ 1 2023/06/02 12:01
- 化学 ボルタ電池について質問です。 参考書にボルタ電池が分極を起こす理由として、 「Cu極上で発生したH2 5 2023/01/22 19:26
- 化学 化学・ダニエル電池について 複数の質問すみません ①ダニエル電池のZnSO₄水溶液を使う理由は何でし 2 2023/05/31 19:25
このQ&Aを見た人はこんなQ&Aも見ています
-
「環境が人を育てる」って本当?環境によって人格や生き方は本当に変わるのか
環境が人生に与える影響は実際どれほどのものなのか、専門家の田宮由美さんに伺った。
-
食塩水を電解質溶液とする化学電池について
化学
-
ボルタ電池の水溶液を食塩水にしたら電流は流れるのですか?
化学
-
ボルタ電池ではなぜ電子はあえて電線の中を伝っていくのでしょうか?
化学
-
-
4
銅板をもちいた電気分解 電解質はなぜ必要か?
化学
-
5
ダニエル電池はなぜ硫酸亜鉛水溶液を使用しているのですか?
化学
-
6
化学で質問です。 水の電気分解でなぜ硫酸ナトリウム水溶液を入れたのですがなぜでしょうか ご解説お願い
化学
-
7
ダニエル電池では、何故に負極では硫酸亜鉛水溶液を使い、正極では硫酸銅水溶液を使うのですか?
化学
-
8
負極と陰極
化学
-
9
in the mornig などにはなぜ定冠詞theがつくのでしょうか?
TOEFL・TOEIC・英語検定
-
10
ボルタ電池
化学
-
11
ダニエル電池で、なぜ亜鉛は、硫酸亜鉛に溶けるのでしょう?
化学
-
12
高校化学 固体や水の濃度を一定と見なしてよい理由についての質問です!
化学
-
13
図のようなダニエル電池で亜鉛板と銅板をそれぞれ異なる電解液に入れているのになぜ、亜鉛と銅のイオン化傾
化学
このQ&Aを見た人がよく見るQ&A
マンスリーランキングこのカテゴリの人気マンスリーQ&Aランキング
おすすめ情報
whiteferretさんのお礼にかきこみつつ考えました。私の疑問は,電解質なし(純水)ではほとんど活躍できなかった水由来のH+やOH-が,なぜ電解質を加えると急に主役になれるのかということだと思います。例えば,硫酸ナトリウム水溶液に電圧をかけると,ナトリウムイオンや硫酸イオンは電極で消費されないのに,硫酸ナトリウムを加える前は全然活躍できなかった水由来のH+やOH-が急に主役となって反応を始めます。なぜ,ごく少量しか存在せず主役となれなかったH+やOH-が,硫酸イオン,ナトリウムイオンの追加で主役になれるのか。ということです。
この視点でのお答えいただいても十分かと思います。ご協力をお願いいたします。