電池のしくみとダニエル電池

イオン化傾向の大きい金属が負極（酸化が起こる）、小さい方が正極（還元が起こる）になることと電子・電流の向きを判定でき、ダニエル電池の各極の反応や素焼き板のはたらきについての選択肢の正誤を判断できる

前提

金属のイオン化傾向と水・酸との反応（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

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金属のイオン化傾向と水・酸との反応（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

説明

電池は、酸化還元反応で移動する電子を導線に通して取り出し、電気エネルギーとして利用する装置である。この技能では、2 種類の金属を電解質の水溶液に浸してつないだとき、どちらが負極・正極になるか、電子と電流がどちら向きに流れるかをイオン化傾向から判定する。さらに代表例であるダニエル電池について、各極で起こる反応や素焼き板の役割を説明する選択肢の正誤を判断できるようになる。

なぜそうしてよいのか

イオン化傾向の大きい金属 A と小さい金属 B を比べると、A のほうが電子を失って陽イオンになりやすい。そこで A と B を導線でつなぐと、A が $A \to A^{n +} + n e^{-}$ と酸化されて電子を出し、その電子が導線を通って B 側へ移る。B 側では、電子を水溶液中の陽イオン（ダニエル電池では Cu $^{2 +}$ ）が受け取って還元される。電子が流れ出す極を負極、電子が流れ込む極を正極と決めているので、イオン化傾向の大きい金属が負極（酸化が起こる）、小さい金属が正極（還元が起こる）になる。電流の向きは、約束として電子の流れと逆向きなので、導線中では正極 → 負極の向きに流れる。

ダニエル電池は、亜鉛板を硫酸亜鉛 ZnSO $_{4}$ 水溶液に、銅板を硫酸銅(II) CuSO $_{4}$ 水溶液に浸し、2 つの水溶液を素焼き板（素焼きの筒など）で仕切ったものである。負極では $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ 、正極では $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ が起こり、全体では $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$ の置換反応を、電子が導線を通る形で進めている。もし亜鉛板を CuSO $_{4}$ 水溶液に直接入れると、電子は亜鉛板の表面で直接 Cu $^{2 +}$ に渡ってしまい、導線に電流は流れない。素焼き板は 2 つの水溶液がすぐに混ざるのを防ぎつつ、細かい穴を通してイオンを行き来させる。放電が進むと負極側では Zn $^{2 +}$ が増えて陽イオンが多くなり、正極側では Cu $^{2 +}$ が減って陰イオン SO $_{4}^{2 -}$ が余るが、素焼き板を通って Zn $^{2 +}$ が正極側へ、SO $_{4}^{2 -}$ が負極側へ移動することで、両側の電荷のかたよりが打ち消され、電流が流れ続ける。

手順

2 つの金属をイオン化列（Li K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H $_{2}$ ) Cu Hg Ag Pt Au）で比べ、イオン化傾向の大きい方を負極、小さい方を正極とする。
負極では金属が電子を失う酸化が起こる（ダニエル電池： $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ ）。正極では水溶液中の陽イオンが電子を受け取る還元が起こる（ダニエル電池： $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ ）。
導線中では、電子は負極 → 正極、電流は正極 → 負極の向きに流れると判定する。
ダニエル電池の素焼き板は、2 つの水溶液の混合を防ぎつつイオンを通して電荷のかたよりを打ち消すはたらきをする、と押さえて選択肢を確かめる。放電すると、亜鉛板は溶けて質量が減り、銅板には銅が析出して質量が増える。

例題

ダニエル電池（亜鉛板を硫酸亜鉛水溶液に、銅板を硫酸銅(II)水溶液に浸し、2 つの水溶液を素焼き板で仕切ったもの）について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　亜鉛板が正極になる。
イ　電子は導線中を銅板から亜鉛板へ向かって流れる。
ウ　正極では $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ の還元反応が起こる。
エ　素焼き板は、イオンを通さずに 2 つの水溶液を完全に分けるためのものである。

例題の解答

手順 1：Zn と Cu をイオン化列で比べると Zn のほうがイオン化傾向が大きいので、亜鉛板が負極、銅板が正極。よってアは誤り。

手順 2：負極では $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ （酸化）、正極では $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ （還元）が起こる。よってウは正しい。

手順 3：電子は導線中を負極（亜鉛板）から正極（銅板）へ流れる。イは向きが逆なので誤り。

手順 4：素焼き板は水溶液の混合を防ぐが、イオンは通して電荷のかたよりを打ち消す。イオンを通さないと電流が流れ続けないので、エは誤り。

よって答えはウである。

答え:

ウ

よくある誤り

電流の向きと電子の向きを同じとしてしまう誤り。正しくは、ダニエル電池の導線中で電子は亜鉛板 → 銅板（負極 → 正極）に流れ、電流はその逆の銅板 → 亜鉛板（正極 → 負極）に流れる。
負極で還元、正極で酸化が起こるとしてしまう誤り。正しくは、電子を出す負極で酸化（ $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ ）、電子を受け取る正極で還元（ $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ ）が起こる。
素焼き板はイオンを通さない仕切りだとしてしまう誤り。正しくは、素焼き板は水溶液がすぐに混ざるのを防ぎつつイオンを通す。負極側で増える Zn $^{2 +}$ や正極側で余る SO $_{4}^{2 -}$ が素焼き板を通って移動することで、電荷のかたよりが打ち消されて電流が流れ続ける。
正極の銅板が溶けて Cu $^{2 +}$ になるとしてしまう誤り。正しくは、銅板の表面では $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ により銅が析出して質量が増え、溶けて質量が減るのは負極の亜鉛板である。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
ダニエル電池は、硫酸亜鉛水溶液に浸した亜鉛板と、硫酸銅(II) 水溶液に浸した銅板を、素焼き板で仕切って組み合わせた電池である。この電池を導線でつないで放電させると、亜鉛板では
$Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$
の反応が起こり、生じた電子が亜鉛板から導線へ流れ出していく。
このように、電池で酸化反応が起こり、電子が導線へ流れ出していく電極を何というか。漢字 2 字で答えよ。

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

電池の電極反応と放電による量的変化（高校化学酸化還元と電池・電気分解）
実用電池（一次電池・二次電池・燃料電池）（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
電池式と標準起電力（大学化学電気化学）