ボルタ電池（仕組み・各極の反応・分極の理由など）

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ボルタ電池とは

ボルタ電池とは、亜鉛Zn板（負極）と銅Cu板（正極）を希硫酸H₂SO₄に浸した電池である。

ボルタ電池は、イタリア人であるボルタが1800年に発明した電池が原形になっている。

ボルタ電池の電池式

上述の通り、ボルタ電池とは、亜鉛Zn板（負極）と銅Cu板（正極）を希硫酸H₂SO₄に浸した電池である。

これを踏まえて、ボルタ電池の電池式は次のように表すことができる。

\[
(-)Zn｜H_{2}SO_{4}aq｜Cu(+)
\]

ボルタ電池の仕組み

STEP1	イオン化傾向の大きい金属板が溶ける
STEP2	STEP1で発生した電子e^–がもう片方の金属板の方へ流れる
STEP3	流れてきたe^–が（溶液中の）イオン化傾向の小さい陽イオンとくっつく

Point!

ボルタ電池の仕組みについて、上の3STEPを用いて解説する。

STEP1

イオン化傾向の大きい金属板が溶ける

まずは、イオン化傾向の大きい金属板が溶ける。（詳しくはイオン化傾向（覚え方・定義・金属板の反応のしやすさ）を参照）

ボルタ電池に使われている金属板はCuとZnであり、これらのうちイオン化傾向がより高いのはZnである。したがって、Zn板が溶け出す。
また、ZnがZn²⁺という陽イオンになったので、電子e^–が発生していることも確認しておこう。

STEP2

STEP1で発生した電子e^–がもう片方の金属板の方へ流れる

STEP1で発生した電子e^–がCu板側に伝わる。

このとき、電子e^–が通過することで（電流が発生して）豆電球が点灯していることに注目しよう。

STEP3

流れてきたe^–が（溶液中の）イオン化傾向の小さい陽イオンとくっつく

Cu板に流れてきた電子e^–は、希H₂SO₄中に存在しているH^＋とくっつく。（＝気体のH₂発生）

各極の反応

ボルタ電池の負極・正極での反応をそれぞれまとめておこう。

負極

ボルタ電池の負極では、Zn板が溶け出してZn²⁺とe^–が発生する。

\[
Zn→Zn^{2+}+2e^{-}
\]

正極

ボルタ電池の正極では、H₂SO₄中に存在しているH⁺がe^–を受け取ることでH₂が発生する。

\[
2H^{+}+2e^{-}→H_{2}
\]

ボルタ電池の問題点

分極を起こす！

Point!

ボルタ電池では、正極で気体の水素（H₂）を発生する。

ボルタ電池を使い続けるとこのH₂がCu板の周りに溜まってくる。

溜まったH₂は、水溶液中のH^＋が負極からやってきたe^ーを受け取るのを妨害してしまう。

その結果、電子の受け渡しに不具合が生じ、電圧が急激に低下する分極という現象が起こる。
分極を防ぐためには、H₂O₂などの減極剤を溶液に加える必要がある。

ボルタ電池に関する演習問題

問１

【】に当てはまる用語を答えよ。

ボルタ電池の負極は【１】板、正極は【２】板である。

【問１】解答/解説：タップで表示

解答：【１】亜鉛【２】銅

ボルタ電池の負極は亜鉛板、正極は銅板である。

問２

【】に当てはまる用語を答えよ。

ボルタ電池では、まずイオン化傾向のより【１（大きor小さ）】い亜鉛板が溶け出し【２】となる。
このとき放出された【３】は銅板側に伝わる。
銅板側で【３】は希H₂SO₄中の【４】が受け取って【５】が発生する。

【問２】解答/解説：タップで表示

解答：【１】大き【２】亜鉛イオンZn²⁺【３】電子e^–【４】水素イオンH⁺【５】水素H₂

ボルタ電池の仕組みは下記の通り。

STEP1

イオン化傾向の大きい金属板が溶ける

まずは、イオン化傾向の大きい金属板が溶ける。（詳しくはイオン化傾向（覚え方・定義・金属板の反応のしやすさ）を参照）

STEP2

STEP1で発生した電子e^–がもう片方の金属板の方へ流れる

STEP1で発生した電子e^–がCu板側に伝わる。

このとき、電子e^–が通過することで（電流が発生して）豆電球が点灯していることに注目しよう。

STEP3

流れてきたe^–が（溶液中の）イオン化傾向の小さい陽イオンとくっつく

Cu板に流れてきた電子e^–は、希H₂SO₄中に存在しているH^＋とくっつく。（＝気体のH₂発生）

問３

ボルタ電池の正極・負極で起こっている変化をそれぞれ電子e^–を用いた反応式で表せ。

【問３】解答/解説：タップで表示

解答：【正極】2H⁺ + 2e^– → H₂【負極】Zn → Zn²⁺ + 2e^–

ボルタ電池の負極・正極での反応は次の通り。

負極
ボルタ電池の負極では、Zn板が溶け出してZn²⁺とe^–が発生する。

\[
Zn→Zn^{2+}+2e^{-}
\]

正極
ボルタ電池の正極では、H₂SO₄中に存在しているH⁺がe^–を受け取ることでH₂が発生する。

\[
2H^{+}+2e^{-}→H_{2}
\]

問４

【】に当てはまる用語を答えよ。

ボルタ電池の放電では、正極で発生する【１】が原因で起電力が低下する。
その結果、電子の受け渡しに不具合が生じ、電圧が急激に低下する【２】という現象が起こる。【２】を防ぐためにはH₂O₂などの【３】を溶液に加える必要がある。

【問４】解答/解説：タップで表示

解答：【１】水素H₂【２】分極【３】減極剤

ボルタ電池では、正極で気体の水素（H₂）を発生する。

ボルタ電池を使い続けるとこのH₂がCu板の周りに溜まってくる。

溜まったH₂は、水溶液中のH^＋が負極からやってきたe^ーを受け取るのを妨害してしまう。

ボルタ電池（仕組み・各極の反応・分極の理由など）

ボルタ電池とは

ボルタ電池の電池式

ボルタ電池の仕組み

STEP1

STEP2

STEP3

各極の反応

負極

正極

ボルタ電池の問題点

ボルタ電池に関する演習問題

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