ダニエル電池（仕組み・各極の反応式・素焼き版・起電力など）

2017年8月5日2023年6月23日

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『ダニエル電池（仕組み・各極の反応式・素焼き版・起電力など）』について解説しています。

亜鉛Zn板を浸した硫酸亜鉛ZnSO₄水溶液と、銅Cu板を浸した硫酸銅(Ⅱ)CuSO₄水溶液を、素焼き板（セロハンでも可）で仕切った電池をダニエル電池という。
ダニエル電池は、イギリス人であるダニエルが1836年に考案した電池が原形になっており、ボルタ電池の欠点を改善することによってつくられた、世界初の実用的な電池である。ダニエル電池の起電力は約1.1Vである。

上述の通り、ダニエル電池とは、亜鉛Zn板（負極）を浸した硫酸亜鉛ZnSO₄水溶液と、銅Cu板を浸した硫酸銅（Ⅱ）CuSO₄水溶液を、素焼き板で仕切った電池である。
これを踏まえて、ダニエル電池の電池式は次のように表すことができる。

\[ \mathrm{(-)Zn｜H_{2}SO_{4}aq｜Cu(+)} \]

●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^ーがもう片方の金属板の方へ流れる。
●STEP3
流れてきたe^ーが（溶液中の）イオン化傾向の小さい陽イオンとくっつく。

STEP

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。
ダニエル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Zn^2＋という陽イオンになったので、電子e^ーが発生していることも確認しておこう。

STEP

STEP1で発生した電子e^ーがもう片方の金属板の方へ流れる。

STEP1で発生したe^ーがCu板側に伝わる。
このとき、e^ーが通過することで（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。

STEP

流れてきたe^ーが（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e^ーがCuSO₄中に存在しているCu²⁺とくっつく。（＝単体のCuが析出）

\[ \mathrm{Zn→Zn^{2+}+2e^{-}} \]

\[ \mathrm{Cu^{2+}+2e^{-}→Cu} \]

●ボルタ電池
正極でe^ーを受け取るのはH^＋
●ダニエル電池
正極でe^ーを受け取るのはCu^2＋

ボルタ電池	ダニエル電池

ボルタ電池では、H^＋がe^ーを受け取ってH₂になる。ボルタ電池が分極を起こすのは、このH₂がCu板の表面に溜まることで、次のH^＋がe^ーを受け取りづらくなってしまうためである。	ダニエル電池では、Zn板からe^ーが流れてくると、Cu^2＋がこれを受け取って単体のCuとなる。生成する物質（Cu）が電極と一緒なので、くっついたところでなにも変化が起きていないのと同じ。よって、分極が起こる心配はなく、継続的に電気を得ることができる。

●素焼き板の役割①
２つの溶液を混ぜない
●素焼き板の役割②
電荷のバランスを保つ

素焼き板の2つ目の役割は「イオンを透過させることで、電荷のバランスを調整する」というもの。
ダニエル電池を使い続けていると、負極では次第にZn^2＋が、正極ではSO₄^2ーが増加していく。（正極でSO₄^2ーが増えるのは、CUSO₄から電離したCu^2＋がCuになることで、相方のSO₄^2ーが余ってしまうため）
このとき、陽イオンが増えた負極はプラス側に、陰イオンが増えた正極はマイナス側に電荷が偏っている。この「電荷の偏り」を調整するのが素焼き板である。