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？

Question

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。

aaadfe · Accepted Answer

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。

windwald · Answer

#3です。
ボルタ電池を実際に作れば分かることですが、
通電状態でも亜鉛表面で"自己完結"して水素が発生することが観察できます。

"自己完結"では電流として取り出せない、電池として理想的な反応ではありませんから
参考書等の模式図では書かれませんね。だから、この実験をやったことない人が
机上の話だけで「亜鉛表面では水素が出ない」と勘違いしてしまうポイントでもあったりします。
#亜鉛を水銀で処理しておくことで、亜鉛表面での水素発生を抑えることが出来ます。
#これは水銀のほうが、亜鉛よりも(当然銅よりもはるかに)電子を水素に渡す作用が小さいためです。
##孫引きですが、http://www.tennoji-h.oku.ed.jp/tennoji/oka/papers/denchi.pdf
##こちらで「特殊な加工をしない限り亜鉛板上での水素の発生量が多い」と記述があります。

ORUKA1951 · Answer

No.4です。とんでもない嘘を教えられているのか、思い違いをしていると書きましたが・・具体的には
1) 電子がトコトコと亜鉛板から銅板へ移動しているわけじゃない
2) 銅はボルタの電池では無関係
3) 自己完結なんてありません。
　ボルタの電池は、構造は簡単ですが、反応機構や付随反応が複雑で、ゆとりより前は中学校では習いませんでした。

電池の考え方
★金属は電子を失って陽イオンになりやすい。
★その「なりやすさ」には差がある。
電解液に金属が浸っていると、「電子を失って陽イオンとなろうとする。」ために、溶液に対して電位が発生する。その電位の高さが異なる。
　そして、やがて溶けようとする力と、イオンが押し返される力がつりあって停止する。
　このときに異なる金属の場合は電位が異なる。

ここで、二つの金属を短絡すると、電位差があるために電荷が高い方から低いほうに移動する。
　電荷が移動すると電位が下がる（上がる）ために、金属⇔イオンの平衡が崩れて、イオン化、またはその逆が表面で起きる。

Zn ⇔ Zn²⁺ + 2e⁻
H₂ ⇔ 2H⁺ + 2e⁻
　は平衡反応ですから、電位が釣り合うまではその方向に進む。
＞一度電子が正極側まで流れてから
　そこにある電子が消費されるのであって、移動してくるわけじゃない。
＞亜鉛板のそばでも発泡が確認できます。
　ありません。
　希硫酸に亜鉛をいれて水素が発生する。とは別途の問題です。
　亜鉛は両性金属ですから酸でもアルカリでも反応して水素を発生しますが、接続したとたんに期待の発生は止まります。　実験した経験があるかないかがすぐ分かります。
＞酸性水溶液に入れて
　食塩水でも水酸化ナトリウム水溶液でも電池になります。
＞イオン化傾向が小さい金属の方が抵抗が電子の受け渡し
をしやすい（抵抗が小さい）
　電気抵抗は銅の方が小さいです。
　電池に電気抵抗は関係ない
＞銅イオンのイオン化傾向
　ダニエル電池なら銅が登場しますが、ボルタの電池で銅の出る幕はない。

中学校の理科の先生でもボルタの電池を理解している人は少ないのかも・・・

doc_somday · Answer

既にタップリのお答えがあるのでかえって混乱するでしょうが、敢えて量子化学を使ってみます。量子化学では電線の中の電子は充満していて、ジャボジャボ、フェルミレベルという高さが一番上、他のお答えにもありますが、電流に寄与する電子はここに居て、入るのもここ出るのもここ、全く流れない、いや莫大な電流が流れりゃあ少しは泳ぎ回る。
なお液相の中のイオンも泳がない。じゃあどうして電池や電解が出来るのか、あきれたことにイオン類は溶液中を拡散で動く、だから電解で余計な電圧をかけたり、電流一定などという設定を押し付けると溶液は沸騰してしまう。

ORUKA1951 · Answer

そもそもの間違い・・・嘘を教わった？？
「一度電子が正極側まで流れてから」
流れて行ってはいません。(^^)多分数ミリ横に移動しただけ。
電流とは電子が移動する事と思っているのでは？？？
　そこを嘘を教わっているから、「一度電子が正極側まで流れてから」なんて、とんでもない事を聞く事になる。

windwald · Answer

イオン化傾向とはまた別の問題のところなんですけども、
亜鉛表面から水素イオンへ電子が渡されるよりも、
銅表面から水素イオンへ電子が渡されるほうが断然おきやすいんですね。

単体の亜鉛を酸性水溶液に入れると、
イオン化傾向の差により亜鉛は亜鉛イオンになることで水素イオンに電子を渡そうとしますが、もたつきながら渡します。
水素イオンからすれば、「何とろとろしとんねん！」ってところでしょうね。

単体の銅を酸性水溶液に入れても、
イオン化傾向の差のため銅は銅(II)イオンになってまで水素イオンに電子を渡すなどは起こりません。
これも水素イオンからすれば、「もらわれへんのかいな、しゃあない、他あたろか」ってところでしょうか。

そして、単体の亜鉛と単体の銅を酸性水溶液に入れて両者を電線でつなげば、
亜鉛が亜鉛イオンになったときに生じる電子は、電線を通じて(玉突きの要領で)銅の表面にも亜鉛から生じた電子がやってきます。
水素イオンからみれば、亜鉛表面(表口)はもたもたしてどうしようもないので、
てきぱきと電子を渡してくれる銅の表面(裏口)でも電子をもらっちゃおうとするものだって出てきます。

電子はあくまで亜鉛が亜鉛イオンになるときに発生したものですので、電子は亜鉛から銅板へ流れていると言えます。

Saturn5 · Answer

亜鉛板にまわりにはＺｎ２＋のイオンがいますが、
Ｃｕ板には何もいません。
ですから、多くのＨ＋はＣｕ板から電子を受け取った方が
都合がいいのです。
一部のＨ＋はＺｎ２＋をかいくぐってＺｎ板で電子を受け取ります。
また、イオン化傾向が小さい金属の方が抵抗が電子の受け渡し
をしやすい（抵抗が小さい）という理由もあります。

aaadfe · Answer

おっしゃる通り、自己完結するやつもいます。
実際、亜鉛板と銅板でボルタ電池を組み立てたら、亜鉛板のそばでも発泡が確認できます。

一部は銅板に伝わるのです。

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？

No1です。

#3です。

No.4です。

既にタップリのお答えがあるのでかえって混乱するでしょうが、敢えて量子化学を使ってみます。

そもそもの間違い・・・嘘を教わった？？

イオン化傾向とはまた別の問題のところなんですけども、

亜鉛板にまわりにはＺｎ２＋のイオンがいますが、

おっしゃる通り、自己完結するやつもいます。

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