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ダニエル電池では、何故に負極では硫酸亜鉛水溶液を使い、正極では硫酸銅水溶液を使うのですか?

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A 回答 (1件)

正しい理解をしてください。


負極は硫酸亜鉛水溶液ではなく、亜鉛です。
正極は硫酸銅水溶液ではなく、銅です。
そして、負極に亜鉛、負極の電解液として硫酸亜鉛水溶液、
正極に銅、正極の電解液として硫酸銅(II)水溶液をつかった電池のことをダニエル電池と呼びます。
なぜそれを使うのかと聞かれてもね。

この電池の起電力のもととなるのは酸化還元反応です。
今回は、亜鉛と硫酸銅(II)水溶液中の銅(II)イオンによる酸化還元反応です。
 Cu^2+ + Zn → Cu + Zn^2+
亜鉛を硫酸銅(II)水溶液中に放り込むと、この反応が起こり、亜鉛は酸化されて次第に溶けていき、
銅(II)イオンは還元され銅として析出してきます(銅樹)。
それぞれの反応は
 Zn → Zn^2+ +2e^-
 Cu^2+ + 2e^- → Cu
と表されます。亜鉛原子から銅(II)イオンへと電子が渡される反応です。

この反応を応用したものがダニエル電池です。亜鉛と銅を導線で繋げば、
亜鉛が亜鉛イオンになるときに放出される電子が電線をつたい、硫酸銅(II)水溶液中の銅(II)イオンが受け取ることができます。
(厳密には亜鉛板、導線、銅板にひしめいている自由電子が玉突き的に移動している)
ですから、導線を切ってしまえば反応はそれ以上起こりません。

ということで、このタイプの電池を作るには、亜鉛と銅(II)イオンさえあればよく、硫酸亜鉛水溶液、銅板は必要ないように思えます。
まず、銅板についてですが、こちらは正直なところイオン化傾向の小さな金属であれば何でも構いません。
ですが、その金属表面には銅が析出するのですから、銅板を使っておけば反応後も質量が大きくなるだけで銅板は銅板のままで都合がよいですね。
硫酸亜鉛水溶液についてですが、これを純水にしてしまうと、反応前に負極側の溶液にイオンが存在しておらず、
反応によって出てくるZn^2+を電気的に受け止めることができません。そこで電解質を溶かしておきます。
どうせZn^2+が溶け出てくるのですから、最初からZn^2+を含む水溶液なら都合が良いですね。
それで負極の電解液には硫酸亜鉛水溶液を用います。

また、陽極側、陰極側とも、電解液の陰イオンは硫酸イオンでなくてはならない理由はありません。硝酸イオンでも構わないのです。
ですが、ダニエルがダニエル電池を発明したときに知られていたのはボルタ電池。希硫酸を使った電池でした。
技術は、基本的に既にある技術への改変によって向上します。
ですから、ダニエルはボルタ電池から硫酸塩を使う発想を得たと考えるのが自然でしょう。
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十分あり得ます。
しかし、過剰摂取による健康被害が懸念されるのは「ナトリウムイオン」そのものです。NaCl以外でも摂取すればトータルとしては同じなのです。
ですから一番なじみのあるNaCl換算するのでしょう。
「ナトリウム量を塩分換算する」
http://gen-en.net/sio-kansan.html

逆に、カリウムに置き換えることによってナトリウムを減らした
「減塩しお」なんて物もありますね。
https://allabout.co.jp/gm/gc/457628/

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化学反応式の問題

静岡大学の問題で

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②銅(Ⅱ)イオンを含む水溶液にアンモニア水を加えていくと淡青色の沈殿が生じる。①②の反応を化学反応式で記せ。

という問題があり、赤本の答えでは

①Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2

②Cu2+ + 2OH- → CU(OH)2

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しかし、私は

①Fe2+ + 2NH3 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2NH4+

②Cu2+ + 2NH3 + 2H2O → CU(OH)2 + 2NH4+

と考えました。

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Aベストアンサー

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ルシャトリエの法則をそのまま利用します。
平衡状態を保ちながら温度や圧力を変化させると、当然のことながら
平衡の位置はずれてきます。(移動します。)
どちらの方向に平衡がずれるのかを示したのが、ルシャトリエの法則です。
例えば、圧力を高くすると平衡は体積が減少して外部から高められた
圧力を少しでも緩和する方向にずれます。
今回の問題では、(a+b)とcを比べた時、同じ数値ならば、
平衡がどちらにずれても、物質量の変化がありませんので、系の体積変化はありません。
それ故、圧力を変化させても平衡の位置は変化しません。
しかし、実際(問題例)は圧力が高い方が、同じ温度でCの割合が増えています。
つまり、Cの割合が増える方が、系の体積が減少することを意味していて、
(a+b)とcでは、cの方が小さい(Cが増える方が物質量が減少する。)ことが
分かります。
注;今回の問題では、気体を扱っています。気体の体積は物質量が多いと
  大きくなり、少ないと小さくなるから、体積変化、圧力変化と物質量とが
  関係するのです。
温度も同じ傾向になります。
温度を高くすると、吸熱する方向に平衡はずれて行き、加温されたことを
緩和しようとします。
温度が高いほどCの割合は減る方向に平衡がずれています。
つまり、A+Bが生成する方向が吸熱反応だということがわかります。
今回は、逆のCが生成する方向を問われているのですから、発熱反応
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こんにちは。
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どうぞ、よろしくお願いします。

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厳密な意味では物質は変化していませんから「化学現象」ではありませんね。
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操作で言えば「抽出」
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・うま味成分が染み込む
広い意味では浸透もありかな?
厳密な意味では、こちらも拡散現象
「浸透」とは
https://kotobank.jp/word/%E6%B5%B8%E9%80%8F-538549
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ということは、練物や高野豆腐は「浸透」のような気がしてきました。

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大前提
直列接続ではそこに流れる電流が等しい
並列接続ではその両端にかかる電圧が等しい
これが理解できないと、説明不能です。

直列接続の場合
そこに流れる電流を i とします。
抵抗Rj の両端の電圧Vj=i×Rj ですね。
つまり、j=1,2…n n個の直列に接続された抵抗の両端の電圧Vは
V=V1+V2+・・・+Vn
=i×R1+i×R2+・・・+i×Rn
=i×(R1+R2+・・・+Rn)
よって、合成抵抗をR0とすると
V=i×R0
∴ R0 =R1+R2+・・・+Rn

並列接続の場合
その両端にかかる電圧をV とします。
1つの抵抗Rj に流れる電流をIjとすると V=Rj×Ij より、Ij=V/Rj
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I=I1+I2+・・・+In
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よって、合成抵抗をR0とすると
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導出終わり。

大前提
直列接続ではそこに流れる電流が等しい
並列接続ではその両端にかかる電圧が等しい
これが理解できないと、説明不能です。

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そこに流れる電流を i とします。
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つまり、j=1,2…n n個の直列に接続された抵抗の両端の電圧Vは
V=V1+V2+・・・+Vn
=i×R1+i×R2+・・・+i×Rn
=i×(R1+R2+・・・+Rn)
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