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ボルタ電池ではなぜ亜鉛板と銅板を使うのですか??
アルミ板と銀板とかではだめなのですか??

よろしくお願いします。

A 回答 (5件)

私もNo.1の方と同様に歴史的な経緯からだと思っていたのですが・・・wikiで確認したところ、


ボルタ(ヴォルタ)が作った電池では「銀と錫と食塩水」、だったそうです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%AC% …


従って、
> アルミ板と銀板とかではだめなのですか??
についても、No.1の方が言われている通り、使用は可能です。
(但し、銅板を銀板に変えても、正極の反応は実質水素によるため、起電力は変わりません)
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9C%E3%83%AB% …
(負極、正極の半電池反応式を参照)

なお、アルミニウムの場合は、通常は表面が酸化皮膜で覆われた状態になっているため、
その酸化皮膜が電解液の薄い酸で溶かされるのを待つか、あらかじめヤスリで磨くなどして
金属が表に出てくるようにしてやる必要があると思います。
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この回答へのお礼

ボルタは銀と錫と食塩水で電池を作ったのですか。
意外でした。
回答有難うございました。参考になりました。

お礼日時:2007/10/11 05:08

No4の言うとうり


No3の回答を全面的に訂正します。

No1・2・4が正しいです。
No3が誤答です。
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この回答へのお礼

訂正有難うございます。

お礼日時:2007/10/11 05:15

#3さんの例示した起電力は誤りです。



標準電極電位を用いることに異論はありません。
実際には濃度の影響を受けますが、そこはある仮定を行っていると考えれば済みます。

誤りなのは、「ボルタ電池が一体どういう電池か」ということです。
ボルタ電池は「亜鉛」と「水素」の電池です。
正極に銅板は使いますが、実際に正極で起こる反応は水素イオンと水素の電極反応です。

ですので、アルミと銀のボルタ型電池を作っても、標準電極電位で算出される起電力は1.66Vということになります。
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この回答へのお礼

アルミと銀の電池では起電力は1.66Vですか。
参考になりました。有難うございます。

お礼日時:2007/10/11 05:14

2ッの異なった金属であれば


なんでもOKです。

しかし
A金属とB金属できまる発生する電圧がある。
だから、できるだけ、発生電圧が大きくなる金属を
選ぶことになる。


亜鉛=0・76
胴=0・34

よって、亜鉛と胴でできる電池の電圧=
0・76+0・34=1・1ボルト
です。

アルミニウム=1・66
銀=0・799

よって、アルミと銀でできる電池電圧=
1・66+0・799=2・459ボルト
約2・46ボルトです。

各金属の数値は本に載ってます。

よくボタン電池に銀を使うのは
発生数値が高いから。


まあアルミは安いが
銀は高い
けど銀スプーンで家庭実験して。
下さい。

しかし銀は黒くなる。でしょう。
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この回答へのお礼

銀のスプーン…家に無いですw
電圧の計算方法が分かり、参考になりました。
有難うございました。

お礼日時:2007/10/11 05:11

ボルタがつくったのが亜鉛板と銅板だったからです。


電池としては同じ仕組みなら他の電極でもいいです。
ただし、その場合は”ボルタ形電池”と呼びます。

この回答への補足

回答有難うございます。
亜鉛板と銅板で作ったのがボルタ電池なのですね。
では、なぜボルタは亜鉛板と銅板を選んだのですか?
補足よろしくお願いします。

補足日時:2007/09/17 10:55
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Q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?

こんにちは。

ボルタ電池ですが、なぜ負極側で
1、Zn→Zn(2+) + 2e(-)
2、2H(+) + 2e(-) → H2
3、Zn(2+) + SO2(2-) → ZnSO2

と自己完結するのでなく、一度電子が正極側まで流れてから水素イオンと結合したりするのでしょうか?

お願いします。

Aベストアンサー

No1です。
ボルタ電池を構成すると、亜鉛板付近での発泡がやむと答えた方がいらっしゃいますが、その方は実験をされたことがないのだと思います。ボルタ電池を構成しても、亜鉛板付近での発泡は止みません。
昔は、ボルタ電池の起電力が、亜鉛と銅との性質の違いによってもたらされると考えられていましたが、それは間違っているというのが現在の定説です。
ボルタ電池を構成してすぐは、1.1ボルト程度の電圧が発生します。それがたまたま、亜鉛と銅の性質の違いであると考えた場合とほど近いので誤解する人が多かったのだと推察しております。
で、1.1ボルトの電圧はすぐに低下して0.5ボルト程度になってしまいます。これは、発生した水素の泡が、水素イオンになる逆反応が影響であると説明されてきました。だから、これを平衡反応であると勘違いして説明していらっしゃる方もいらっしゃいます。そもそも、平衡に至れば電圧が発生することはありません。
発生した水素の泡云々は、もともとこみで、純粋な亜鉛と銅板、水素イオンの水溶液でボルタ電池を構成すれば、0.5ボルト程度の電圧しか発生しません。
実際にやって見ると、最初、1.1ボルトと電圧が高くなるのは、銅板の表面が酸化して、酸化銅が発生していることが原因であるという文献を見たことがあります。
まぁ、ボルタ電池は、単純だと考えられてきたので、電池の仕組みを説明するのによく用いられてきたモデルですが、おもったよりも複雑であるため、最近は、高等学校でも教えられることがなくなりました。

No1です。
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昔は、ボルタ電池の起電力が、亜鉛と銅との性質の違いによってもたらされると考えられていましたが、それは間違っているというのが現在の定説です。
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Q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?

ある高校の入試問題で、『銅板と亜鉛板をうすい塩酸の中に入れて、図のような装置(図省略)を作ったところ、発光ダイオードが点灯した。次の各問に答えよ。~~問3.うすい塩酸のかわりに入れても電流が流れるものを、次のア~エからひとつ選び、記号で答えよ。 ア蒸留水 イ砂糖水 ウ食塩水 エ エタノール』というものがありました。正解は。『ウ 食塩水』です。
 私自身あまり電池のことに詳しくないのですが、わたしは、イオン化傾向の違いにより電圧が発生すると思っていました。塩酸水溶液の中には、水素イオンが入っています。亜鉛は、水素よりイオン化傾向が大きいので、亜鉛イオンとなって水溶液中に溶け出します。一方、銅は水素よりイオン化傾向が小さいので、イオンになることは無く、亜鉛版のほうから流れてきた電子を水溶液中の水素イオンに与えるので、起電力が生じ電流が流れる。その結果、銅版には、水素分子のあわ粒が付着する。と。理解していました。
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Aベストアンサー

ボルタ電池の問題は,ここでも何度も何度も繰り返しあがっています.
ボルタ電池をまともに考えることは,中学高校の理科では不可能です.ボルタ電池のバリエーションを出題すること自体,出題者の見識を疑います.この問題については,ボルタ電池の問題点を理解していない出題者が,うわっぺらの知識で作った問題に見えます.

ボルタ電池では水素イオンとのイオン化傾向が問題になるのではないので,塩酸であるかどうかは本質的な問題ではありません.亜鉛の溶解 (酸化) とペアになるのは,銅板表面の酸化銅の還元か,溶存している酸素の還元です.つまり,イオン化傾向では比べるものがないのです.水素イオン濃度が高ければ水素イオンの還元がおこることもあるでしょうが,別に水素イオンがなくてもかまわないのです.実際には,状況に応じてこれらの混合でおこっているのでしょうね.
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この問題は,単に「塩酸でも塩水でも発電する」という知識を問う以外のものではありません.なぜそうなるかを考えてはいけないのです.考えても,高校までの理科では説明のしようもないからです.まして高校入試では話になりません.

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Qボルタ電池の分極と減極剤について質問です。 いろいろなサイトを見て調べてみたのですが、自分の参考書に

ボルタ電池の分極と減極剤について質問です。

いろいろなサイトを見て調べてみたのですが、自分の参考書に書いてあることと微妙にズレていたりして、本当に正しいのは何かと思い、質問させていただきました。
ちなみにその参考書は東進の鎌田真彰が書いたハイレベル化学なので、多分間違いはないと思います。

以下はその参考書の引用です。

ボルタ電池は銅板の上で水素を発生させるのに電気エネルギーが消費されるため、放電を続けると起電力が低下する。この現象を電池の分極といい、過酸化水素や二クロム酸カリウムのような酸化剤を加えると起電力が回復し、これらを減極剤と呼んでいた。
昔の教科書には「銅板に付着したH2がH+に戻ろうとする逆起電力が分極の原因であり、減極剤によってH2が参加されるから起電力が回復される」と言った説明がされていた。これは間違った説明であるため現在の教科書からは記載が削除されており、ボルタ電池も深くは取り扱わないことになっている。ただし、今でもごくたまに入試に出題されるので、本教材には記載しておく。



質問は、
①なぜ、水素を発生させるのに電気エネルギーが消費されるため、放電を続けると起電力が低下するのか?

②減極剤が具体的にどのような働きをし、起電力が回復するのか

の2点です。

わかる方いらっしゃいましたら、教えていただけると幸いです。

ボルタ電池の分極と減極剤について質問です。

いろいろなサイトを見て調べてみたのですが、自分の参考書に書いてあることと微妙にズレていたりして、本当に正しいのは何かと思い、質問させていただきました。
ちなみにその参考書は東進の鎌田真彰が書いたハイレベル化学なので、多分間違いはないと思います。

以下はその参考書の引用です。

ボルタ電池は銅板の上で水素を発生させるのに電気エネルギーが消費されるため、放電を続けると起電力が低下する。この現象を電池の分極といい、過酸化水素や二クロム...続きを読む

Aベストアンサー

①高校化学の言葉でいえば、水素を発生させるのに活性化エネルギーが必要だからです。
この活性化エネルギーの山を越えるために、電気エネルギーが消費されます。電気エネルギーが電池内部で消費されると、電池内部で電圧降下がおこるので起電力が低下します。
より詳しくは「過電圧」について調べてみてください。
なお、起電力が低下する理由は他にもいくつかあって複雑なのですけど、「水素の気泡が電極に付着するから」という理由は×です。というのは、銅電極の代わりに白金電極を使うと、電極が気泡まみれになるにもかかわらず銅電極のときよりも起電力が高くなることが知られているからです。

②減極剤は、水素イオン H+ の代わりに酸化剤として働きます。
例えば過酸化水素 H2O2 であれば、H2O2 は H+ より酸化力が強いので、
H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O の反応で、H2O2 が銅板から電子をもらって H2O に還元されます。
ですので、起電力が回復する、というよりは、「正極で還元される物質が変わったためボルタ電池ではない別の電池になった」ので起電力も変わった、と考える方が正確です。


No.1さんの回答は、昔の高校の教科書に書いてあったことがらで、残念ながら現在ではどちらも間違いとされています。詳しくは坪村先生の解説をご覧ください。

坪村 宏「ボルタ電池はもうやめよう : 問題の多い電気化学分野の記述(教科書の記述を考える 15)」化学と教育
Vol. 46 (1998) No. 10 pp. 632-635.
http://doi.org/10.20665/kakyoshi.46.10_632

①高校化学の言葉でいえば、水素を発生させるのに活性化エネルギーが必要だからです。
この活性化エネルギーの山を越えるために、電気エネルギーが消費されます。電気エネルギーが電池内部で消費されると、電池内部で電圧降下がおこるので起電力が低下します。
より詳しくは「過電圧」について調べてみてください。
なお、起電力が低下する理由は他にもいくつかあって複雑なのですけど、「水素の気泡が電極に付着するから」という理由は×です。というのは、銅電極の代わりに白金電極を使うと、電極が気泡まみれにな...続きを読む

Q炭素と銅のボルタ電池は可能ですか?

中学校の問題集に、水溶液が塩酸、電極が亜鉛と銅のボルタ電池で、
亜鉛を炭素に変えた時電流は流れるかという問題があり、正解は
「流れる」となっていましたが納得できません。
もし、流れるのなら、陰極はどちらで、どのような変化をするので
しょうか。教えてください。

Aベストアンサー

#2 です.一応,電気化学は専門ということにしています.

まず,#3 で紹介されている,炭素を基準電極にしてというような実験は,電気化学的にはまったく無意味です (断言します).そのような実験法の結果を使って議論して電気化学関連の論文誌に投稿すれば,100%却下されます (もし掲載されていれば,読者から編集委員会宛に抗議が殺到するかもしれません.あるいはその論文誌自体の評判が暴落します).

炭素電極の炭素それ自体は反応しません.また炭素電極が塩酸中などで示す自然電位の物理化学的意味はまったく解析不能で,また再現性もなく,基準点に取る合理性がありません.

#3,4 の方のご指摘の,電池であることをどう捉えるか,というのは大きな問題です.化学熱力学で化学電池を取り扱う際には平衡熱力学の流れの中で扱うため,電流はまったく流れない条件での起電力を扱います.酸化還元電位などの議論が可能なのは,厳密にはこの電流が流れていない状態に限られることに注意する必要があります.
電流を (ある程度の時間に渡って持続的に) 取り出すという観点から考えれば,炭素-銅のボルタ電池は成立しません.そのようなことが可能な酸化還元系が存在していないからです.
でありながら,「実際にやってみたら電池になった」という人が出てくる可能性は否定できない,というのが私が #2 で書いた内容です.この観察には電池をどう捉えるかという問題と切り離すことはできないので,「何で検出するかによりますし」と書いたのです.
たとえば,今のデジタルテスターはむかしのアナログテスターと違って,内部に流れる電流が桁違いに少ないため,むかしは高価な機械を使わなくてはできなかった「電流を流さずに電圧を測る」ということにかなり近い測定ができてしまいます.この観点では,電位差は検出されるでしょうから,電池になっているという主張も可能です.電位差が発生する理由は,銅側は銅の表面にある酸化銅と金属銅との間の平衡に起因する電位でしょうし,炭素については表面官能基や吸着酸素,溶存酸素などかもしれません.炭素表面の触媒活性も無視できず,水素イオン-気体水素の平衡も関与しているかもしれません.炭素電極の由来や前処理にもよるでしょうが,汚れや不純物かもしれません.
しかし,これらは量的に十分にあるとは考えにくいものばかりです.したがって電流を持続的に流し続けることは無理でしょう.
最近の理科実験にはよく電子オルゴールが使われているようですが,仮にその消費電流を 1μA とすれば,10秒間持続させるには 10^-5 C の電気量が必要で,これは電子 10^-5/96500 = 10^-10 mol に相当します.このくらいなら表面吸着種だけでもまかなえなくはありません.もちろん電極の大きさにもよりますが,炭素電極の実効表面積はけっこう大きいですし (たいていの炭素電極は多孔質です.ガラス質の無孔性のものもありますが高価ですし中学校等の理科室にふつうにあるとは思えません),銅板もふつうはそれなりのサイズですから.
しかし,これは「ボルタ電池」ではないでしょう.ボルタ電池の流れの中で扱うべきものではありません.
高校化学でボルタ電池を扱わないのは妥当です.指摘されているように,この電池には「簡単に電池 (電気) が作れる」ということと,歴史的な意味以外には,教育的な価値がないからです.これを中途半端な理解で使ってしまうと,電池と酸化還元電位やイオン化傾向との間の物理化学的関連性の理解に障害になることは想像に難くありません.「ボルタ電池の理論的な起電力」云々という話があちこちで出てくることこそ,電池の化学が理解されてないままに教材として使われていることの証左なんでしょう.残念なことです.

#2 です.一応,電気化学は専門ということにしています.

まず,#3 で紹介されている,炭素を基準電極にしてというような実験は,電気化学的にはまったく無意味です (断言します).そのような実験法の結果を使って議論して電気化学関連の論文誌に投稿すれば,100%却下されます (もし掲載されていれば,読者から編集委員会宛に抗議が殺到するかもしれません.あるいはその論文誌自体の評判が暴落します).

炭素電極の炭素それ自体は反応しません.また炭素電極が塩酸中などで示す自然電位の物理化学的意味は...続きを読む

Q硫酸銅水溶液の電気分解

簡単なことで申し訳ありませんが
硫酸銅水溶液の電気分解において
陽極、陰極にそれぞれどのような
物質ができるんですか?
化学反応式も教えていただければ幸いです

Aベストアンサー

 質問されてから1週間になりますので,既に解決したかもしれませんが。

 参考 URL のサイト(高等学校_化学_テキスト)が参考になるかと思います。「化学 Ib」⇒「第6章 e-の授受による化学変化」⇒「6.5 電気分解」と進んで下さい。

 参考 URL の記載をまとめると次の様になります。なお,参考 URL では H+ や OH- が反応するように書かれていますが,中性の硫酸銅水溶液で H+ や OH- の反応は不自然ですので,以下では水が反応する様に書き直してあります。

【陰極】
 低電圧では銅が析出
   Cu2+ + 2e- → Cu
 高電圧では水素の生成も並行して起こる。
   2H2O + 2e- → H2↑ + 2OH-

【陽極】
 電極物質が反応(溶出)する場合(例えば銅版)
   Cu → Cu2+ + 2e-
 電極物質が反応しないと酸素が発生
   4OH- → O2↑ + 2H2O + 4e-

参考URL:http://www.ed.kanazawa-u.ac.jp/~kashida/

 質問されてから1週間になりますので,既に解決したかもしれませんが。

 参考 URL のサイト(高等学校_化学_テキスト)が参考になるかと思います。「化学 Ib」⇒「第6章 e-の授受による化学変化」⇒「6.5 電気分解」と進んで下さい。

 参考 URL の記載をまとめると次の様になります。なお,参考 URL では H+ や OH- が反応するように書かれていますが,中性の硫酸銅水溶液で H+ や OH- の反応は不自然ですので,以下では水が反応する様に書き直してあります。

【陰極】
 低電圧では銅が析出
 ...続きを読む

Q二酸化硫黄と硫化水素の酸化還元反応式

タイトルのとおりなのですが、二酸化硫黄と硫化水素の酸化還元反応式が
どういうふうになるのかおしえてほしいのです。
硫化水素 H2S→2H+ + S + 2e-
二酸化硫黄 SO2 + 4H+ + 4e- → S + 2H2O
ということまではたぶんあっているとおもうのですが・・・
このあとどうやっていけば酸化還元反応式ができあがるのかが。。。
教えて下さい

Aベストアンサー

そこまでわかっているのなら、後は
e-が消えるように2つの式を足し合わせるだけです。
最初の式を2倍して、2番目の式と足せば、
2H2S + SO2 + 4H+ + 4e- → 4H+ + 2S + 4e- + S + 2H2O
両辺から同じものを消して
2H2S + SO2 → 3S + 2H2O
となります。

Q電池を直列につなぐと電圧が上がるのはなぜ?

電池を直列につなぐと電圧が上がるのはなぜなのでしょうか?
下記のページ等を見て
http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/denchi1.html
電流がなぜ流れるのかはだいたい理解できましたが、2つ電池をつなげても
倍の電流が流れるとは思えません。
何かわかりやすい説明をしているサイトなどあったら教えてください。

Aベストアンサー

こんにちは

電子の流れを考えてみると、意外と簡単かもしれませんよ。
実際の反応とは、ちょっと違うかもしれませんが・・・
繋がっている、ということは、それぞれ単独で反応しているのではないということです。

たとえば、ある単位時間に、1つの電子を流す(受け渡す)電池があるとします。
直列につないだ場合、たとえば基点となる電池Aの+から電子を1つ放出したとします。-から電子をうけっとた電池Bは、電子による反応と自身のイオン化傾向の差により、+から2つの電子を出すことになります。
電池Aは-から電子2個を受け取り、1つは反応の完成に使われ、1つは新たな反応に使われ、さらに自身のイオン化傾向の差から1つの電子、計2つの電子を放出します。
次に電池Bも電子がひとつ足りない状態なので、うけっとた2つの電子のうち1つを反応の完成に、1つを新たな反応に使い1つの電子を放出して、さらに自身のイオン化傾向の差から1つの電子を放出するので、電池Bの+から電子2つが放出されます。
これ以降は繰り返しですので、単位時間に1つの電子を受け渡すことのできる電池を直列すると、2つの電子の受け渡しを行う、ということになり、2倍の電圧、2倍の電流になるわけです。

電池AのZn極で、まず、イオン化傾向の差から、電子が2つ放出されたとします。
  Zn → ZnII++2e- ・・・ (1)
放出された電子は、電池BのCu極で、
  CuII++SO4II-+2e- → Cu+SO4II- ・・・ (2)
そうすると、電池BのZn極で
  Zn+SO4II- → ZnII++SO4II-+2e-
  また、自身のイオン化傾向の差から、
  Zn → ZnII++2e-
  合計4つの電子を放出することになります。・・・ (3)
電池AのCu極に、電子4つが受け渡されますが、(1)の状態では、電子は受け渡された(放出された)という前提ですので、水溶液中の負の電荷が2つ不足している(電子が2つ少ない)ことになります。そこで2つは補充のように使われ、残りの2つから(2)~(3)のようになり、後は繰り返し・・・
という感じだと思いますが・・・
最初に、「電子の流れ」と書いてしまいましたが、実際は受け渡されるよる様なものなので、受け渡しと考えたほうがわかりやすいかもしれません。

こんにちは

電子の流れを考えてみると、意外と簡単かもしれませんよ。
実際の反応とは、ちょっと違うかもしれませんが・・・
繋がっている、ということは、それぞれ単独で反応しているのではないということです。

たとえば、ある単位時間に、1つの電子を流す(受け渡す)電池があるとします。
直列につないだ場合、たとえば基点となる電池Aの+から電子を1つ放出したとします。-から電子をうけっとた電池Bは、電子による反応と自身のイオン化傾向の差により、+から2つの電子を出すことになります。
電...続きを読む

Q電池

今日、化学の授業で電池について学びました。

電解質水溶液にイオン化傾向の異なる金属板を浸し金属板を導線でつなぐと電子が流れ電流が流れるといったことを先生が言ってました。

例えばボルタ電池は、
亜鉛板と銅板を希硫酸にひたしますよね。
すると、亜鉛板では Zn→Zn2+ + 2e- という酸化の反応を起こすと思うのですが、銅板では Cu→Cu2+ + 2e- という酸化の反応は起こらないのでしょうか?

もし電解質水溶液を希硫酸、イオン化傾向の異なる金属を銅と銀にして導線でつないだら電流は流れるでしょうか?

誰か教えてください。

Aベストアンサー

高校の化学の教科書ではボルタ電池を扱わなくなってきています。ダニエル電池から入ります。
高校の化学としては電池・電気分解を酸化・還元反応の単元の中で扱っています。イオン化傾向もこの単元の中で扱います。
ボルタ電池は歴史的には重要なものでしょうが反応の仕組みを考えると簡単なものではありません。反応の条件がきちんと整理されていないのです。
希硫酸を使ったボルタ電池でも条件のあいまいな所がたくさんあります。食塩水を使ったボルタ電池はさらにあいまいです。
「希硫酸を使ったボルタ電池」は亜鉛と硫酸の反応
Zn+H2SO4→H2+ZnSO4
を基本反応としたものだというのを#2に書きました。
「銅=Cu」と考えるとこの反応以外には考えられません。このときに予想される起電力は約0.7Vです。でもよく使われているボルタ電池では1Vほどの起電力が生じます。「銅≠Cu」としなければいけません。銅板の表面をバーナーで加熱して酸化銅の膜を作って実験すると約1Vの起電力が生じます。豆球をつけても長持ちします。これをヒントにして考えると普通のボルタ電池では銅の表面に生じている銅の化合物が決め手になっているのだろうということが分かります。

「食塩水を使ったボルタ電池」の基本反応は何でしょう。
亜鉛は食塩水には溶けないはずです。電池を構成する物質(銅、亜鉛、食塩水)の組み合わせでは反応が起こらないのです。でも電流は流れます。この場合も銅≠Cuとしなければいけない事になります。銅板の表面についている銅の化合物が無くなれば終わりのはずです。ところが結構長持ちします。そこで水の中に溶け込んだ酸素の働きも合わさっているだろうということになっています。銅板の表面で酸素が還元され亜鉛の酸化とつりあう事になります。
ボルタ電池が高等学校で扱うのに不適当な例であるとされている理由が分かると思います。
TVでやるような電流が流れたらそれでいいという立場とどういう仕組みで流れるのかと言う原理まで考えるという立場の違いです。
イオン化傾向の異なる2つの金属という電池の考え方は高校の化学で扱う立場ではないのです。銅=Cuとしては説明できないのですからイオン化傾向を当てはめるわけには行きません。
一度2種類の銅板を用意して希硫酸のボルタ電池で試してみてください。よく磨いたきれいな銅板と古い銅板とで豆球のつき方を比べるのです。銅=Cuであればキレイな銅板の方のつき方がいいはずですね。

高校の化学の教科書ではボルタ電池を扱わなくなってきています。ダニエル電池から入ります。
高校の化学としては電池・電気分解を酸化・還元反応の単元の中で扱っています。イオン化傾向もこの単元の中で扱います。
ボルタ電池は歴史的には重要なものでしょうが反応の仕組みを考えると簡単なものではありません。反応の条件がきちんと整理されていないのです。
希硫酸を使ったボルタ電池でも条件のあいまいな所がたくさんあります。食塩水を使ったボルタ電池はさらにあいまいです。
「希硫酸を使ったボルタ電...続きを読む

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

Q高校無機化学・亜鉛と希硫酸の反応について

こんにちは、受験勉強をしている高3です。
化学の無機化学の単元の問題を解いていて、疑問に思ったことがあります。

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

この反応は、「酸化作用」ではなく、「強酸性」で説明されるとのことでした。
私は、ZnとHに酸化数の変化があり、てっきり「酸化作用」によるものだと思ったのですが、解答を見てみると、やはり、「強酸性」とのことでした。

自分でも、参考書などをめくり、いろいろと考えてみたのですが、考えれば考えるほど混乱してきてしまい、相談箱に頼らせて頂いた次第です。

この理由について(よろしければ、詳しい)解説をよろしくおねがいします。
また、一般的に「強酸性」によると言われるが、「酸化作用」によるものと言えないこともない、などということもあればよろしくおねがいします。

Aベストアンサー

酸の性質の1つに「金属を酸化することができる」という性質があるのです。

その場合、酸は酸化剤として働いています。これは働きの中心を担っている元素がHAのHであるか、Aに含まれている元素であるかには関係しません。物質としての酸の働きを見ているのです。
酸であるか、酸化剤であるかのどちらかであるというような立場で考えるとおかしくなります。

繰り返しになりますが、
>言い換えれば、H+が酸化剤になる場合には、習慣的にその酸による酸化とは呼ばないことが多いってことです。

こういうことが成り立つのであれば「ある反応が酸化・還元反応であると認識していながら酸化剤が存在しない」という変なことが起こってしまいます。

Zn+H2SO4 → ZnSO4+H2
が酸化・還元反応でないとするのであればセンターレベルでアウトです。

>塩酸や希硫酸のことを真っ向から「酸化力のない酸」と書かれていました

いまだにこういうことを書いている参考書の内容が古すぎるのです。30年前と変わっていません。

>「『Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂』は酸化作用によるものである」と言えないかもしれない強力な根拠があったので紹介したいと思います。

こういうことが書いてある本があるのであれば捨ててしまったほうがいいでしょう。有名な本であるかどうかは関係ありません。(数研の本は売れることに胡坐をかいているように思います。内容には古いものが多いです。電池についての記述などもおかしいところが目立ちました。受験生が「バイブル」だと受け止めているということですが、そういう風に勧めている高校や塾の関係者がたくさんいるということでしょうね。)
読んだ人が誤解しただけだという言い逃れをするようであればそういう誤解を与えるような書き方をしているということで参考書としては不適格だということになります。


#2に実用的には「積極的な働きとしての酸化作用を期待して酸化剤という言葉を使っている」と書いたのですがそれだけでは説明できないように思います。

「酸化=酸素との結合」という昔の定義(一般にはこの定義のほうが受け入れられているようですが)に基づいた判断になっています。硫酸や硝酸は酸素を含んでいます。その酸素を相手に押し付けるということで酸化が行われるという説明が長いこと行われていました。「発生期の酸素」という名前を付けて原子状の酸素のやり取りを考えることで反応式を導いていたのです。私が高校生の時はこれでした。
酸素が介在しない変化を酸化とは考えていなかったということにもなります。
「酸化力のある酸、ない酸」というのはその当時からのものです。
現在の「金属が金属イオンになれば酸化が起こっている」という考えとは別の判断なのです。
指導要領が変わって電子の移動で酸化・還元を考えるという枠組みに統一されました。でも書き換えられたのが直接該当する箇所だけだということになっています。その枠組みで教科書の他の部分に出てくる関係のある記述を見直すという作業が必要になってくるはずです。それができていないのです。「酸化力のある酸」という記述が生き残っているということがそれを示しています。

ボルタ電池の仕組みを示す式
Zn+2H^+ → Zn^2+ + H2
は酸化・還元反応です。
この式との整合性がなくなることに無頓着であるというのは参考書としては困ったことです。致命的です。

この式でボルタ電池を考えるということ自体それほど古いことではないということもそのカギになるでしょう。
いまだに多くのサイトで「イオン化傾向の異なる2つの金属と電解質溶液で電池ができる」という説明が行われています。「夏休み子供科学教室」などの催しでもこの説明が多いです。有名メーカーの電池技術者の書いた電池の本でもこういう記述を見ることがあります。電池は金属の働きによっておこる不思議な現象になっています。酸化・還元反応であるという理解が存在していません。酸化・還元反応という言葉を使っている場合もありますが言葉だけのつまみ食いです。
どの説明でも「亜鉛はイオンになる」という変化は書かれています。
そのとき出てきた電子が電線の中を通って銅板のほうに移動します。
電子が移動したということは電流が流れたということだから電池ができたということになる。
これで終わりです。
銅板にやってきた電子はどうなったのかが考えられていません。
中には「銅板は電子を受け取ったから還元が起こっている」と書いてあるものもあります。
還元は電子を受け取ることではありません。電子を受け取って変化することです。金属導体は電子が通過するだけです。金属自体は変化しません。銅が電子を受け取って変化するなんてことは起こらないというのはすぐにわかるはずのことですね。
電解質の役割はイオンが移動することで溶液中での電気の流れを作るためだとも書かれています。
電解質自体が電子を受け取って変化する物質になるのだということには考えが及ばないようです。
(だからこそ、食塩水を電解質にして銅板、亜鉛版を電極にしたとき、なぜ電流が轅れるのだろうという疑問が出てくるのです。2つの金属が主役だという考えでいる限り疑問は出てきません。この電池には酸素が関係しているという説明がされるようになったのはそう古いことでhさないのです。)

酸化・還元反応という言葉はセットで出てきます。
でも何が起こっているのか、どの物質がその変化を担っているのかをセットで考えるということは十分に徹底されているとは言えないというのが現状のようです。

教科書にはあちこちに酸化・還元反応が出てきます。別々の場所で出てきたものでも同じ見方で説明していなければいけません。酸・塩基の単元の中で酸化・還元反応が出てくることもあります。無機物や有機物の合成のところでも出てきます。

※「酸化=酸素との結合」
これはラボアジェとは一切関係がありません。
後の時代の人が作り上げたものです。
「還元=結合している酸素が離れること」
これもラボアジェの定義ではありません。
ラボアジェが使っている意味は金属について「金属の化合物から帰属を散りだすこと」です。金属の化合物(鉱石)は酸化物ではない場合の方が多いです。

以前、ある出版社の教科書が金属の精錬の説明をする時に「硫化物として存在する金属を一度酸化物に変えてから炭素で還元する」という例を出していました。
MS → MO → M
これについて一段目の変化を酸化、二段目の変化を還元としていました。数年後に削除されましたが酸素の移動だけで考える酸化・還元が根強く残っていることがよくわかる例です。と同時に教科書全体を見て整合性を考えるということが行われていない、分担執筆でそのままという教科書作りが行われているということもわかる例でもありました。文部省の係官もこんなことには気が付いていなかったようですから同じでしょう。

酸の性質の1つに「金属を酸化することができる」という性質があるのです。

その場合、酸は酸化剤として働いています。これは働きの中心を担っている元素がHAのHであるか、Aに含まれている元素であるかには関係しません。物質としての酸の働きを見ているのです。
酸であるか、酸化剤であるかのどちらかであるというような立場で考えるとおかしくなります。

繰り返しになりますが、
>言い換えれば、H+が酸化剤になる場合には、習慣的にその酸による酸化とは呼ばないことが多いってことです。

こういうこと...続きを読む


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