化学電池で電解液がなぜ必要性なのか分かりません

Question

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

whiteferret · Accepted Answer

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。

BAY19981026 · Answer

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。

whiteferret · Answer

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。

BAY19981026 · Answer

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。

whiteferret · Answer

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。

BAY19981026 · Answer

蛇足ですが、亜鉛|硫酸銅水溶液(塩酸)|銅の電池で亜鉛が溶けて、銅が溶けないのはイオン化傾向の影響です。
ちなみに亜鉛、水素、銅の順にイオン化傾向が高いので、塩酸では水素が発生し、硫酸銅水溶液では銅が析出します。

BAY19981026 · Answer

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。

whiteferret · Answer

「水溶液は何も変化しないの？」とか
「そもそもなぜ（＝何を目標として）電池を化学で教えるの？」とか

whiteferret · Answer

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。

銀鱗 · Answer

(´・ω・`)
イオンってなんだろうね。
どのくらいイオンがあれば電気が流れるんだろうね。

宿題形式で答えてみました。
自身で調べることも大切ですよ。

化学電池で電解液がなぜ必要性なのか分かりません

お礼ありがとうございます。

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？

お礼ありがとうございます。

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。

蛇足ですが、亜鉛|硫酸銅水溶液(塩酸)|銅の電池で亜鉛が溶けて、銅が溶けないのはイオン化傾向の影響です。

50代医者です。

「水溶液は何も変化しないの？」とか

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。

(´・ω・`)

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