ダニエル電池とは？仕組みから各極の反応、素焼き版や起電力について解説！

はじめに

このページでは、ダニエル電池の仕組みや各極での反応、ボルタ電池との違い、素焼き板の役割、起電力を上げるためのポイントなどを解説していく。入試頻出な電池なので必ず理解しておくようにしよう。

ダニエル電池とは

ダニエル電池は、ボルタ電池の欠点を改善することによって作られた、世界初の実用的な電池である。

電極にはZnとCu、電極を入れる溶液にはZnSO₄とCuSO₄が使われている。

ボルタ電池との違いを意識しながら学習していこう。

ダニエル電池の仕組み

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!

まずは、電池の仕組みを解説！〜イオン化傾向との関わり・正極と負極・電子と電流の向き〜で説明した３STEPを使ってダニエル電池の仕組みについて説明していこう。

STEP1

まずは、イオン化傾向の大きい金属板が溶ける。

CuとZnではZnの方がイオン化傾向が高い。したがってこの場合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、e^ーが発生していることも確認しておこう。

STEP2

次に、STEP1で発生したe^ーがCu板側に伝わる。

このとき、電子が通過することで（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

最後に、Cu板に流れてきた電子がCuSO₄中に存在しているCu^2＋とくっつく。（＝単体のCuが析出）

各極の反応

負極・正極での反応をそれぞれまとめておこう。

負極

負極では、Zn板が溶け出してZn^2＋と２つのe^ーができる。

\[
Zn→Zn^{2+}+2e^{-}
\]

正極

正極では、CuSO₄中に存在しているCu^2＋がe^ーを受け取ることで単体のCuが析出する。

\[
Cu^{2+}+2e^{-}→Cu
\]

ボルタ電池との違い

ボルタ電池	e^–を受け取るのはH⁺
ダニエル電池	e^–を受け取るのはCu²⁺

Point!

ボルタ電池とダニエル電池では、Zn板からCu板に向かって流れたe^ーを受け取る陽イオンが異なる。

ボルタ電池では、H^＋がe^ーを受け取ってH₂になるんだったね。（ボルタ電池に関して詳しいことは「ボルタ電池」を参照）

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^–を受け取りづらくなってしまうからだった。

一方、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だよね。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わけだ。

素焼き版の役割

役割１	２つの溶液を混ぜない
役割２	電荷のバランスを保つ

Point!

ダニエル電池において、素焼き板は２つの重要な役割を担っている。順番に説明していこう。

素焼き板の役割①

素焼き板の１つ目の役割は「２つの溶液（ZnSO₄とCuSO₄）が混ざるのを防ぐ」というもの。まあこれは、見れば分かるね。（笑）

素焼き板の役割②

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ーが余ってしまうから）

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「電荷のかたより」を調整するのが素焼き板だ。

素焼き板はイオンを通す性質をもつので、Zn^2＋が素焼き板を通って正極側に、SO₄^2ーが負極側に移動する。これによって、電気的なバランスが整えられる。

より大きな起電力を得るために

NO.1	ZnSO₄の濃度を薄くしておく
NO.2	CuSO₄の濃度を濃くしておく

Point!

ダニエル電池において、より大きな起電力を得るためには２つの重要なポイントがある。

起電力UPのポイント①

１つ目のポイントは「ZnSO₄の濃度を低くしておく」ということである。

はじめから溶液中にZn^2＋がたくさんあると、（溶けて生成するZn^2＋の居場所がないため）Zn板が溶解しづらくなってしまう。

したがって、より大きい起電力を得るためには「スタート時のZnSO₄の濃度を低くしておきZn板をスムーズに溶解させる」ことが重要になる。

起電力UPのポイント②

２つ目のポイントは「CuSO₄の濃度を高くしておく」ということである。

正極では、Cu^2＋がe^ーを受け取り単体のCuとなる。したがって、スタート時に溶液中のCu^2＋が少ないと、はやい段階でCu²⁺を使い切ってしまう。

Cu²⁺濃度が高ければ高いほど、たくさんのe^ーを受け取ることができるんだね。

問題演習

問題

（１）両極での反応を、e^–を含むイオン反応式で書け。
（２）素焼き板の役割を２つ挙げなさい。
（３）反応を起こすと、SO₄^2-は何極から何極へ移動するか。
（４）ダニエル電池でより大きな起電力を得るためには、初期のZnSO₄、CuSO₄濃度をそれぞれどうしておくべきか。

解答

（１）正極：Cu²⁺＋2e^–→Cu
負極：Zn→Zn²⁺＋2e^–
（２）
・２つの電解液（ZnSO₄とCuSO₄）を混ぜない。
・２つの電解液の電荷のバランスを調節する。
（３）正極から負極
（４）
・ZnSO₄の初期濃度を小さくしておく。
・CuSO₄の初期濃度を大きくしておく。

解説

（１）

正極：Cu²⁺＋2e^–→Cu
負極：Zn→Zn²⁺＋2e^–

まずは、イオン化傾向の高いZn板が溶け出す。
これが負極の反応式だね。
次に、Cu板へと伝わってきたe^–をCuSO₄中のCu²⁺が受け取って銅が析出する。

（２）

素焼き板の役割は２つあるんだったね。
１つは、正極側のCuSO₄と負極側のZnSO₄を隔てる役割。
もう１つは、イオンを透過させるという特性を生かし、電荷のかたよりを減少させてバランスを保つ役割。

２つ目について少し詳しく。

ダニエル電池の両極での反応が進んでいくと、負極ではZn²⁺が増加し、正極ではCu²⁺が減少する。
このとき、負極は（プラスのイオンであるZn²⁺が増えたので）プラス電荷にかたよっており、正極は（プラスのイオンであるCu²⁺がいなくなったので）マイナス電荷にかたよっている。
そこで、負極のZn²⁺は素焼き板を介して正極へと移動し、電荷のバランスを調節するんだ。

また、SO₄^2-もイオンなので移動することが出来る。
負極でZn²⁺が増えることにより、プラスに電荷がかたよってしまっているので、SO₄^2-が正極から負極へと移動をし、このかたよりを軽減している。

（３）: （２）で説明したように、SO₄^2-は正極から負極に移動する。

（４）

ダニエル電池でより大きな起電力を得るためには、初期のZnSO₄を小さく、CuSO₄濃度を大きくしておく必要があったね。

前者の理由は、電池の反応が進行するにつれてZn²⁺の濃度が大きくなってきてしまうから。
Zn²⁺の濃度が大きくなりすぎるとZn板からZn²⁺が溶けづらくなってしまう。
これを避けるために、最初のZn²⁺濃度は出来るだけ小さくしておく。

後者の理由は、e^–を受け取るCu²⁺が多い方が、より長時間e^–を受け取り続けることができるからだ。

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