ダニエル電池の素焼き板は、どんな役割をしているのですか?

A 回答 (2件)

ダニエル電池は二種類の水溶液を用いて構成されますが、それらが混じりあわないようにする一方、イオンだけは通過させるために素焼き板を隔壁に使っています。



ちょうどよいページがありましたので、参考URL欄で紹介しておきます。

参考URL:http://www.kdcnet.ac.jp/buturi/kougi/buturiji/da …
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以下の参考URLサイトは参考になりますでしょうか?


「02406/02408 GHA07033 ひがしまき RE^4:電池になぜ電解質(塩)が必要か?」

「セパレーター」ですね!

ご参考まで。

参考URL:http://www.kumagaya.or.jp/~miyahara/dentinidenka …
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Qダニエル電池の素焼き板について

こんにちは。
ダニエル電池の素焼き板が、CuSO4水溶液と、ZnCO4水溶液が混ざらないようにあるのはわかったのですが、なぜSO42-とZn2+が通りぬけられるようになっているのでしょうか?

ご存知の方教えて下さい。
よろしくお願いしますm(__)m

Aベストアンサー

 陽極で起こる反応は Zn → Zn(2+) + 2e- であり,陰極で起こる反応は Cu(2+) + 2e- → Cu です。これらの反応が進むと,陽極付近は Zn(2+) 濃度が高くなり陰極付近は Cu(2+) 濃度が下がります。この時,どちらの極においても,対イオンである SO4(2-) の濃度は変化しません。

 その結果,プラスチックなどのイオンの移動ができない素材でしきった場合には,陽極側は Zn(2+) が SO4(2-) より多くなり,陰極側は SO4(2-) が Cu(2+) より多くなってしまいます。

 この状態では,Zn(2+) の多いところ(+電荷を帯びた溶液)に+電荷を持った Zn(2+) が溶け込むことになり,反応が起こりにくくなります。同様に,SO4(2-) が多い(-に帯電した)溶液から+電荷の Cu(2+) が電極へ近づいて Cu に変わる反応も起こりにくいです。つまり,イオンの移動が無い状態では反応がすぐにストップしてしまいます。

 これに対して,イオンの移動が可能な素焼きの板を用いた場合,陽極で生じた Zn(2+) イオンは SO4(2-) が多い陰極側に流れていき,逆に陰極側で過剰になった SO4(2-) イオンも陽極側に流れていく事で,上記の溶液の+や-への帯電が起こらないため,反応が継続します。

 陽極で起こる反応は Zn → Zn(2+) + 2e- であり,陰極で起こる反応は Cu(2+) + 2e- → Cu です。これらの反応が進むと,陽極付近は Zn(2+) 濃度が高くなり陰極付近は Cu(2+) 濃度が下がります。この時,どちらの極においても,対イオンである SO4(2-) の濃度は変化しません。

 その結果,プラスチックなどのイオンの移動ができない素材でしきった場合には,陽極側は Zn(2+) が SO4(2-) より多くなり,陰極側は SO4(2-) が Cu(2+) より多くなってしまいます。

 この状態では,Zn(2+) の多いところ(...続きを読む

Qダニエル電池、ボルタ電池について質問です。

ダニエル電池、ボルタ電池について質問です。

ダニエル電池で素焼き板をはずすと、亜鉛板に銅が析出し、銅板には電子が流れなくなる。

以上のように勉強しましたが、ボルタ電池では銅板で水素が発生します。

(1)ダニエル電池で素焼き板をはずした後、ボルタ電池で銅板上で水素が発生するように、銅板上で銅が析出することはないのでしょうか

(2)ボルタ電池では亜鉛板上での水素発生はおきないのでしょうか?

Aベストアンサー

化学電池では酸化・還元反応が起こっています。
どういう電池でもトータルに見た時にどういう酸化・還元反応が起こっているかを書くことができるはずです。
ダニエル電池で起こっている反応は
Cu^2++Zn → Cu+Zn^+
です。この方向に反応が起こるということはイオン化傾向の違いから説明されていますね。
めっきの原理にもなっています。
これを電子のやり取りで書くと
Zn → Zn^2++2e^-
Cu^2++2e^- → Cu
です。試験管の中でやればZnの表面でこの電子のやり取りが起こります。
この電子のやり取りを外部にとりだして利用する装置が電池です。
Znの表面で直接電子のやり取りが起こることを禁止して外部の回路を電子が移動するようにします。
素焼き板で溶液を分離するのはそのためです。
銅の表面に銅が析出するようにしているのです。
質問(1)
素焼き板は銅板の上で銅が析出する反応が効率よく起こるようにするための工夫のはずです。

電極のCuは反応には関係しません。
電線の延長です。Cu^2+が電子を受け取る反応の場を提供しています。
素焼き板を外せばZnの表面でCuの析出が起こリます。電子のやり取りが外部の回路と関係なく起こります。
電子はわざわざ遠回りする必要がなくなりますので電池としての効率は悪くなります。
でも電線で結びついている部分には電位差は生じないと考えていいですから銅の析出は銅板の表面においても亜鉛板の表面においても同じように起こっています。

ボルタ電池の反応は亜鉛が硫酸に溶ける反応です。
Zn+2H^+ → Zn^2+ H2
これも試験管の中で普通に起こる反応ですね。
電池として働かせるためには直接反応を禁止する必要があります。
この場合も素焼き板を使って溶液を分離し、希硫酸は銅板の付近だけに存在するようにすると効率が良くなるはずです。亜鉛板のまわりには食塩水を入れておけばいいです。

質問(2)
ボルタ電池では普通、仕切りは入れていませんね。
両方で反応が起こります。効率の悪い電池です。
ボルタ電池の実験をやってみれば亜鉛の表面からも泡が出ているのが観察されるはずです。
亜鉛の表面では水素発生の起こりにくいと言われています。銅板の上の方が発生しやすいのです。
水素過電圧という量で表現されています。でも「水素は発生しない」という説明がされているとしたら誤りです。

「希硫酸、亜鉛板、銅板を用意する。
(1)亜鉛板、銅板を接触しないように希硫酸の中に浸す。
(2)液の外部で亜鉛板と銅板を銅銭で接続する。

(1)(2)で泡の出方がどのように変化するかを観察する」

こういう内容の実験が載っている実験書を使っていたことがあります。 

化学電池では酸化・還元反応が起こっています。
どういう電池でもトータルに見た時にどういう酸化・還元反応が起こっているかを書くことができるはずです。
ダニエル電池で起こっている反応は
Cu^2++Zn → Cu+Zn^+
です。この方向に反応が起こるということはイオン化傾向の違いから説明されていますね。
めっきの原理にもなっています。
これを電子のやり取りで書くと
Zn → Zn^2++2e^-
Cu^2++2e^- → Cu
です。試験管の中でやればZnの表面でこの電子のやり取りが起こります。
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Qボルタ電池 ダニエル電池 鉛蓄電池

電池について4つ質問があります。
1つでも教えていただけるとうれしいです。

(1)ボルタ電池では減極剤を入れると習ったのですが、
電解液自体を減極剤で使う水溶液にしてはだめなのでしょうか?

(2)ダニエル電池の、負極側の電解液がZnSO4である理由を教えてください。
Znよりイオン化傾向の小さい金属の水溶液ではないのはなぜですか?

(3)鉛蓄電池の負極で、Pb2+とSO42-が結合するのはなぜですか?
Pbはイオン化傾向が大きいのに、なぜまた結合してしまうのですか?
ボルタ電池やダニエル電池ではこのようなことは起きないので、理由がわかりません。

(4)鉛蓄電池で、結合してできたPbSO4によって反応が邪魔されることはないのでしょうか?
それは当たり前で、PbSO4がたまってきたら充電するということですか?

わかりずらかったらすみません。
よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

(1)いまだに「減極剤」なんて説明をしている人がいるんですか……
「減極剤」という考え方は不適当ですから忘れてしまって結構です。

(2)Zn = Zn^2+ + 2e^-の化学平衡(左右どちらへも進む反応でその進み方のバランス)を利用しているものです。
また、硫酸亜鉛を水溶液を用いれば、使用後の水溶液も濃度が変わるだけで硫酸亜鉛水溶液ですが、
そのほか金属の硫酸塩水溶液を使うと、使用後の水溶液が亜鉛とそれ以外の金属の塩が混じってしまいますね。

(3)イオン化傾向という言葉を勘違いなさっています。
イオン化傾向は「単体金属が電子を失って」陽イオンとなる程度のことです。
Pb^2+とSO4^2-が結合してもPb^2+に変化はありません。
この反応は、水溶液中のPb^2+と水溶液中のSO4^2-が反応し、水に溶けないPbSO4になるというものです。
鉛(II)イオンは硫酸イオンと水に不要な物質を作るがために起こる反応です。

(4)そういうことです。

Qダニエル電池について、基本的な質問

電池について興味があり、最近勉強しています。
化学が不得意なので大変基本的なことから教えてください。

ダニエル電池について、
(1)そもそも負極のZnがZnSO4(aq)に溶け出すのは何故でしょうか。
(2)反応の進行に伴い、Zn2+は素焼き容器を透過し陽極側へ、
  陽極側のSO4+が陰極側へ移動しますが、これらは移動後、
  どのような反応が起きるのでしょうか。

Aベストアンサー

(1)ZnをZnSO4 aqに入れただけでは亜鉛は溶けません。
 負極の銅板と結ばれることによって、両者のイオン反応の
結果として亜鉛が溶けるのです。
(-)Zn → Zn2+ + 2e-
(+)Cu2+ + 2e- → Cu
亜鉛がイオンになって、銅イオンが単体になった方がエネルギー的に
有利(イオン化傾向を考えて)なのでそうなるだけです。途中の
導線を遮断すれば両極の反応は止まります。

(2)基本的に動くのはSO42-です。
これはイオンが動くだけで何もしません。
陰極ではZn2+が増え、陽極ではCu2+が減ります。
そのため、イオンバランスが悪くなるのでSO42-が
陽極から陰極に動くと都合がいいのです。また、それを
通すための素焼き板です。
素焼き板の代わりにKClを含んだブリッジを使うこともあります
が、そのときも陽極でCl-が溶け出し、陰極でK+が溶け出す
ことによって水中のイオンバランスを保ちます。

Qダニエル電池について教えてください。

ダニエル電池について教えてください。

先生が
溶液の濃度をわずかに変えるだけで、ダニエル電池を少しだけ長持ちさせ、起電力を少しだけ上げることが出来ます。
負極では、亜鉛の単体がイオン化する反応が起きているので、負極の電解液の濃度は薄いほうがイオン化しやすいです。
反対に正極では、電解液のCu2+イオンが単体になって析出していく反応が起きているので、もし電解液の中からCu2+イオンがなくなれば反応は終わりです。なので、正極の電解液の濃度は濃いほうが長持ちで反応が進みやすいです。

と授業で言っていたのですがこの意味がいまいちよくわかりません。
もう少し簡単に教えていただけないでしょうか?

自分的にはダニエル電池の構造は一応理解しているつもりです。
どなたか教えてください。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

以前の教科書(30年程前)には「硫酸亜鉛は薄い方がいい、硫酸銅は濃い方がいい」と書いてあるものがありました。多分、現行の教科書には書かれていないと思います(確かめていません)。

確かに電池の起電力は濃度に関係します。
でもモーターが回らなくなるというような大きな電圧の低下が起こるような場面以外ではほとんど問題にする必要はありません。ボルタ電池では数分でモーターが回らなくなってしまいます。ダニエル電池ではほとんど電圧の定価は問題になりません。普通に使う濃度で適当にやれば十分に流れます。ソーラーモーターを使っていましたが数時間は十分に流れます。夕方セットしたまま帰ったこともありました。次の日の朝見るとまだ回っていました。
むしろ隔壁の性能の方が持続時間には大きく効いてきます。教室で見せる時には封筒を使っていました。あまり長くは持ちません。ホームセンターで買ってきた小さな素焼きの植木鉢を使ってやると十分に長く使うことができます(穴はゴム栓でふさいでやります)。

イオンの動きについての誤解が生じる場合もあります。
「負極の硫酸亜鉛の濃度は薄い方がいい」という文章を読むと「亜鉛は溶けて行くだけだからイオンがどんどん作られていく、別に水溶液中に溶けているイオンが反応に関係してくるわけではないのだから薄い方が邪魔にならなくていいのではないか」と納得してしまうのです。そうであれば「薄い極限で考えれば、ただの水でもいいのではないか」と考えてしまいますね。私もそう考えて水でやって見たことがあります。全くモーターは回りません。
亜鉛がどんどん溶けて行くためには水溶液の中にイオンが存在していることが必要なのです。
イオンの拡散速度というのそんなに速いものではありません。いくら広い空間があっても関係がありません。ごく近くの空間にどれだけのイオンがあるかが続いて反応が起こることができるかどうかを決めています。ただの水であれば電極の近くには亜鉛のイオンしか存在しないことになります。正電荷をもったイオンが電極の表面近くに溜まるのですからイオンが溶けだしていくのを妨げます。これを防ぐのが電解質の役割です。硫酸亜鉛水溶液でなくて食塩水でもいいです。正負のイオンが電極の直ぐ近くにたくさんあれば正イオンが少し溶けだして増えても動き回っているイオンの働きで直ぐに打ち消されてしまいます。電荷の分布のアンバランスは生じにくくなるのです。こういうことが問題になるのは電極表面の近くだけの話です。数μmぐらいの範囲だそうです。

念のために銅の方も考えてみます。
0.1Aで1時間モーターを回したとします。
移動した電気量は360Cです。これは0.0037Fです。
銅の析出量は0.1gだという計算になります。
硫酸銅の結晶に換算すると0.4gですからわずかな量です。1円硬貨の目方の半分弱です。学校で普通に使っている硫酸銅の水溶液の濃度であればこれくらいの消費があっても色が薄くなったということはわからないでしょう。

電気化学の専門家が起電力の測定をやる時は電流が出来るだけ流れないようにして行います。
条件の違いによって起電力がどのように変動するかも調べているでしょう。いろんな効果が合わさってくるでしょう。学校でモーターを回したり、豆球を付けたりする時と前提が全く異なります。電流が流れなければモーターは回りません。豆球も付きません。電池を使う立場の人からすればどれだけまとまった電流が取り出せるか、どれだけの時間電池の機能が持続するかが関心事だということです。ある程度まとまった電流が流れる時はわずかに存在する物質による微妙な影響は問題にする必要がなくなります。(「希硫酸や果汁の中にもわずかに亜鉛イオンが含まれている」というようなことを書いている専門家がいますが「????・・・」です。それが問題になるとしているのは電流が流れないという場面で起電力だけを考えているからです。)
電池についての説明もそういう立場(ある程度まとまった電流が取り出せるという面から電池を考えるという立場)でのものが欲しいと感じているのです。ダニエル電池は反応の仕組みが簡単で、安定した電流が長時間流れます。酸化・還元の単元の中で電池を考えるのに適したものだとしていいでしょう。

ボルタ電池でも同じような事情が考えられます。
専門家の説明はモーターの回らない電池についてです。起電力だけを考えているからです。
Cu,Zn,H2SO4で構成される電池だということであれば銅板はCuのことだということになります。しかし、ていねいに磨いた銅板を使ってやってもモーターはほとんど回りません。戸棚の中にしまってあった古い銅板を取り出してそのままボルタ電池を作ればモーターは回ります。学校でボルタ電池を教えるとしたらこのよく回る方の電池だということです。仕組みについての説明はこのよく回る方についてのものが欲しいのです。
反応の仕組みを CuとZn、H2SO4 で説明するのはおかしいのです。モーターの回らない電池の説明をいくらしてもらっても仕方がありません。日本中、いたるところでボルタ電池は使われているでしょう。電池を使う際に銅板を磨いているところなどないはずです。試しに磨いてやって見たというところもあるでしょうがうまくモーターが回らないということが分かれば次からはわざわざ磨くなんてことはしなくなるでしょう。手間をかけて性能がよくなるのであれば磨くでしょうが、性能が悪くなるのですから誰も磨いたりしないというのは当然なのです。電池として働く仕組みという面では「銅板=Cu」ではありません。

ボルタはボルタの電堆(Voltaic pile)というのを1800年に発表しています(発表は1800年ですが発明は1799年のようです)。これは積層電池です。単層の電池を発表したのはもっと早いです。英語版のwikiに1791年だと書かれています。
http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_battery
水の電気分解はこの積層電池を使って行なわれています。電堆の発表と同じ年に発表されています。電気スパークを飛ばすというのであれば持続時間はあまり問題にはならないでしょうが電気分解をやるとなるとある程度の持続時間が必要です。この電池の構造から考えても、持続時間のことから考えても磨いた銅板であるとは考えられません。なぜボルタ電池の基本構成がCu,Zn,H2SO4 であるとされているのでしょうか。ふしぎです。ボルタの使ったのではない構造の電池を「ボルタ電池」だとしているところがおかしいのです。

高校の教科書でボルタ電池を扱わなくなっている理由の一つはこの理論と実際の食い違いにあります。これは専門家の責任です。食い違うので扱わないようにしようという指導です。専門家によるきちんとした説明がないので「減極剤」の出て来るような古い説明がそのまま生き残ってしまっています。現場は困っています。
(磨いた銅板を使ったボルタ電池ではモーターがうまく回らないということを知らないという専門家もいるようです。私の出席した高校教師向けの研修会で電池の話をした大学教授は知りませんでした。0.76Vになるはずなのに約1Vの起電圧が観察される理由は過電圧だと言うのですから驚きました。「過電圧」だから起電力の大きくなる説明に使うことができると考えたようです。電池と電気分解がごっちゃになってしまっているということもあるようです。)

以前の教科書(30年程前)には「硫酸亜鉛は薄い方がいい、硫酸銅は濃い方がいい」と書いてあるものがありました。多分、現行の教科書には書かれていないと思います(確かめていません)。

確かに電池の起電力は濃度に関係します。
でもモーターが回らなくなるというような大きな電圧の低下が起こるような場面以外ではほとんど問題にする必要はありません。ボルタ電池では数分でモーターが回らなくなってしまいます。ダニエル電池ではほとんど電圧の定価は問題になりません。普通に使う濃度で適当にやれば十分に...続きを読む


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