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。


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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Zn2+という陽イオンになったので、e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Cu2+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Zn2+と2つのeができる。

\[
Zn→Zn^{2+}+2e^{-}
\]

正極

正極では、CuSO4中に存在しているCu2+がe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を受け取る陽イオンが異なる。

ボルタ電池では、Hがe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が流れてくると、Cu2+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Zn2+が、正極ではSO42ーが増加していく。(正極でSO42ーが増えるのは、CUSO4から電離したCu2+がCuになることで、相方のSO42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、Zn2+が素焼き板を通って正極側に、SO42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Zn2+がたくさんあると、(溶けて生成するZn2+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、Cu2+がe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Cu2+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、SO42-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、SO42-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、SO42-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、SO42-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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