水道水に亜鉛板と銅板を入れると電池ができるかどうか

Question

水道水に亜鉛板と銅板を入れると電池ができるかどうかを確認するために、次のような実験をしました。

【実験操作】 http://oshiete.goo.ne.jp/qa/8487883.html のNo.12の添付写真を参考にして、実験１～実験４を順に行った。
実験１：水道水と亜鉛板と銅板の組み合わせで電位差を測定した。
実験２：食塩水と亜鉛板と銅板の組み合わせで電位差を測定した。
実験３：もういちど、水道水と亜鉛板と銅板の組み合わせで電位差を測定した。
実験４：もういちど、食塩水と亜鉛板と銅板の組み合わせで電位差を測定した。

【実験結果】実験１～実験４のすべてで、電位差は0.8Vだった。

この実験結果をどのように解釈したらよいのか、教えてください。

「食塩水に亜鉛板と銅板を入れると電池ができるのと同様に、水道水に亜鉛板と銅板を入れると電池ができる」ということなのでしょうか。
それとも「このような実験では、電池ができるかどうかを判断できない」ということなのでしょうか。

htms42 · Accepted Answer

＞「このような実験では、電池ができるかどうかを判断できない」ということなのでしょうか。
の方だと思います。また「用いられた物質が電池の構成要素になっている」ともいえないのです。

「電池になる」という言葉があいまいに使われていると思います。
（イ）電位差が生じていれば電池ができているということができる
（ロ）電流が実用的な大きさで取り出せて初めて電池ができているということができる

この２つは似ていますが同じではありませんね。
電池はもともとは道具ですから何かの仕事をさせるために利用するものです。
それでいうと電流が取り出せるということが大きな条件になると思います。
もちろん電位差がなければ電流は流れませんが、電位差が生じていれば電流が取り出せるとは限らないのです。電位差というのはエネルギー論的なものですが電流が流れるという場合には速度論的なものが付け加わります。反応熱と反応速度の違いのようなものが関係してきます。水素と酸素の反応は大きな発熱反応です。でも単に混ぜただけでは反応は起こりません。燃料電池ではこの反応が実用的な速さで起こるように工夫されています。（ロ）の立場で考えるほうが紛れがなくていいと思います。

＞食塩水に亜鉛板と銅板を入れると電池ができるのと同様に、・・・
と書かれていますので食塩水を使った電池で考えてみます。

２００ｍＬのビーカ、食塩水、ソーラモータ、亜鉛板、銅板、リード線を用意します。金属板は５ｃｍ×１０ｃｍ程度の大きさのものだとします。回路を組んで電極を挿入します。モータは回ります。でも数分間で止まります（豆電球であればもっと短い時間で止まります）。

モータが回っているとき、電池ができているというのは曖昧さはありません。
モータが止まってしまった時の状態が問題です。これも電池だと言うことができるかどうかです。
電流を流すことができていた電池が電流を流すことができなくなってしまったのです。電池の働きに必要な何かの成分が不足してしまったということになります。でもこれは２つの状態を比較してみることができているという立場から出てくることです。単に電圧を測ったということだけであればもともと電位差の小さい反応であったということなのか、電池の構成要素のどれかに不足をきたしているということなのかの区別がつかないのです。モータの回らなくなってしまった電池でも起電力を測ればたぶん０．８Ｖぐらいになるでしょう（私は測っていません）。

モータが回らなくなったら銅板を取り出します。数分間おいてまた挿入します。モータがまた回るようになります。これは何回でも繰り返すことができます（長い目の銅板を使うと上下をひっくり返して入れるという操作だけで連続的に何回でも電池として働かすことができます）。空気中に銅板をさらしたということが電池の機能復活に関係するということですから空気中の物質（酸素）が反応の決め手になっているということがわかります（肉眼的には２つの銅の状態は区別がつきません）。この電池の起電力は銅板と亜鉛板の間のものではありません。銅板の表面の付着物と亜鉛板の間に生じているものです（どういう付着物であるのか、どういう反応をしているのかはまた別の問題です）。
現在の化学の立場では物質を化学式で表現して現象を考えています。その立場で言うと銅はＣｕです。銅板の表面の付着物はＣｕではありません。この付着物が反応しているとするとそれは銅板の反応ではありません。銅板は電池を構成している導体（電線、電極）としての意味しかないことになります（ボルタの時代には銅板といえば銅が主成分であれば表面がどうなっているか、何が混ざっているかはほとんど問題にされていません。だからこそ２種類の金属と電解質溶液という構造に対する表現が出てくるのです。）。

付着物が問題だということは電流を取り出すという作業の中で見えてきたことです。電位差の測定だけではわからないことです。したがって電池の構成を考えるときには電流が取り出せる構造を想定してのものになります。電圧の測定で０．８Ｖが得られたということだけではどういう電池になりうるかという判断はむつかしいということです。

０．８Ｖという数字について考えてみます。
亜鉛が酸化される反応の標準電極電位は０．７６Ｖです。これは平衡電位（電流が流れないようにして測られた電位）ですから実際はこの値以下のはずです。また反応の相手の存在も必要になります。０．７６Ｖという値は水素電極が相手になっています。食塩水、亜鉛板、銅板という電池構成では水素電極に対応するものは存在しません。Ｃｕが相手であると考えるのは水素が相手になっていると考えることと同じですから　０．８Ｖという数字は出てこないのです。０．８Ｖが出たということ自体、Ｃｕでない相手が存在しているということを表しています。使われた電極は写真を見てもわかりますがさびています。ピカピカに磨いてやってみてください。値が変わるはずです。モータを取り付けてみるのも試してみてください。

とにかくこんな議論をしなければいけないということ自体がボルタ電池は授業で扱うのには適していないということを表しています。

Saturn5 · Answer

htms42さんがおっさｈるように、電池の定義があいまいなのが原因でしょう。
（イ）電位差が生じていれば電池ができているということができる
（ロ）電流が実用的な大きさで取り出せて初めて電池ができているということができる

ただし、この（ロ）の定義の「実用的な」という部分に全ての曖昧さが集中します。
銅板と亜鉛板と水道水の電池ではモーターを回したり、豆電球を点けることはできません。
しかし、メモリー保持などのバックアップ電池としての役割はできるはずです。
（大きさと重さと溶液を使う点から実用的ではありませんが）
要は電池を使うユーザーがどれだけの電流を求めているかです。

また、この電池は単位面積当たりの電流は大きくありません。
しかし、それを言うと鉛蓄電池も単位面積当たりの電流は大きくありません。
電極を折りたたむことによって面積を増大させ、電流量を稼いでいます。

どうしても、この電池でモーターをまわしたいならば、２～３ｍ＾２くらいの
電極を作ってはどうでしょうか？
実用的な電流というのは実験スケールでも変わってくるのです。
マイペディアも「持続的な電流」と書かれていますが、この電池も値が非常に小さい
だけで持続的な電流は流れます。
ただ、実用上の電流とはどれくらいかの定義がなく、スケールを大きくすることで
カバーができるので、単純に電位差だけを見た方がすっきりするように思います。
ただ、その「電位差」も無いＶ以上有れば電池になるのかの定義はありません。

チョコレートについているアルミニウムを噛んでしまうと歯に激痛がはしることが
あります。これは口内に電池ができるからですが、電流量は０．１μＡ以下だと
推定されます。これがあのような激痛になるのです。
人間に多大な苦痛を与えるには十分な電流量だと言えます。

ORUKA1951 · Answer

＞世間的には、電極からある程度の電流を流せるものが電池、となっているようなのですけど、
　ある程度は全く個人の嗜好の範囲でして・・科学でそんなこと気にしません。
　ある現象が実現できれば十分な電池足りうるのですよ。
　貴方の簡単な実験でもテスターの針を振らせるだけの電池として働いているのですから。

事実「傷の部分が局部電池となり、亜鉛が“犠牲電極”となって鉄を守っているのです。( http://www.tdk.co.jp/techmag/inductive/200711/ )」のように一般的に使われています。

かって「ゆとりの時代」にボルタの電池--厳密にはガルバニ電池は姿を消してしまいました。ちょうど「円周率は３でよい」と同じ発想です。割り切れない--分数に出来ない数の存在に気付く数なのですが、教師のゆとりのために・・
　ボルタの電池（電堆）が発明されて、ダニエル電池の登場までの４０年・・化学も物理も大きな飛躍をしました。メンデレーエフが周期表で予測した多くの元素--アルカリ金属やハロゲンが単離されたのも、多くの電磁気学の重要な現象もボルタの電堆に負う所が極めて大きいですね。
　ボルタが「ガルバーニの生物電気から、推論と実験によって生物に依存しないことを証明し、さらにその結果から電池を発明した」こと、それが文明に与えた影響を考えると「自然の事物・現象に進んでかかわり，目的意識をもって観察，実験などを行い，科学的に探究する能力の基礎と態度を育てるとともに自然の事物・現象についての理解を深め，科学的な見方や考え方を養う。( http://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/new-cs/youryou/chu/ri.htm )」理科教育の減点でもあるのです。

貴方が試されたように、ボルタの電池はダニエル電池よりはるかに置くが深い現象です。ボルタの電池を教材にすることで、「分極と言う化学電池の最大の壁の説明」の取っ掛かりになりますし、さまざまな日常で接する酸化還元現象
・トタンがなぜ錆びないのか
・ブリキに傷がつくとなぜ錆がすぐ発生するのか
・果物電池でなぜ電気が起きるのか
・海水に立っている鉄橋がなぜ錆びないのか
・ステンレスの流し台に置いた庖丁がなぜ錆びるのか
・１０円玉が電解液で擦るとなぜピカピカになるのか
　授業での話題にも事欠きませんし、より発展した現象へ進むきっかけになります。
　そしてなによりも「科学とは何か」を指導するのに最適--身近ですからね。

私は教科書にボルタの電池が掲載されていないときも、ボルタの電池は時間を割いて指導してきました。果物電池、スライム電池なんて小学生相手の教室でも人気です。

貴方がすばらしいのは、疑問に思ったら実際に試すこと。調べられる限りの事は自力で調べられることです。ダニエル電池だけではきっとそこまではできなかったでしょう。
　私の生徒に欲しい(^^)

ORUKA1951 · Answer

すばらしいです。
　疑問に思ったら試すこと。ひょっとして説明と異なる現象が観察された・・・
　なら、条件を変えて

電池は出来ます。超純水では難しいのじゃないかと

それから電流を取り出せるかとは別の話です。

トタン(亜鉛メッキ鋼板)は
＿＿＿　_ _ _ _ _ ＿＿＿＿
＿＿＿＼＿＿＿＿／＿＿＿＿Zn
　　　　　　　　　　　Fe
と傷がついても、そこに電池が形成されるために、亜鉛が溶け出すことで鉄の酸化を防止します。

高抵抗、数数100kΩの抵抗を接続して電圧を測定する。二酸化炭素が溶け込んでいない湯冷ましを使うなど色々試してください。

Saturn5 · Answer

電池ができると言えば全部できますよ。
電位差というのは２種類の金属によってきまるものです。
間の水溶液に少しでも電解質があれば電位差は生じます。

ただし、実用的な電池かというとそうではありません。
電流がほとんど流れていない状態では、０．８Ｖの電位差があるかもしれません。
しかし、水道水の場合は水中のイオン濃度が薄いので、少しでも電流を流すと
電位差は激減します。

すなわち、電位差は発生するが電流としてほとんど取り出せない電池なのです。

水道水に亜鉛板と銅板を入れると電池ができるかどうか

＞「このような実験では、電池ができるかどうかを判断できない」ということなのでしょうか。

この回答への補足

htms42さんがおっさｈるように、電池の定義があいまいなのが原因でしょう。

＞世間的には、電極からある程度の電流を流せるものが電池、となっているようなのですけど、

すばらしいです。

電池ができると言えば全部できますよ。

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