実用電池（一次電池・二次電池・燃料電池）

マンガン乾電池・鉛蓄電池・燃料電池・リチウムイオン電池などの負極・正極の物質と電解液、放電・充電で起こる変化（例: 鉛蓄電池では両極に $PbSO_{4}$ が生じ硫酸の濃度が下がる）、一次電池と二次電池の区別を選べる

前提

電池のしくみとダニエル電池（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））

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説明

身のまわりで使われる電池（実用電池）について、負極・正極で反応する物質、電解液、放電や充電で起こる変化を整理する。使い切りで充電できない電池を一次電池、充電して繰り返し使える電池を二次電池（蓄電池）、外から燃料（水素など）と酸素を供給し続けて電気を取り出す電池を燃料電池という。この技能で、マンガン乾電池・鉛蓄電池・燃料電池・リチウムイオン電池などについての記述の正誤を判断できるようになる。

なぜそうしてよいのか

どの電池も、しくみはダニエル電池と同じである。負極では電子を出す物質が酸化され、正極では電子を受け取る物質が還元され、電子は導線を負極から正極へ流れる。電極で実際に酸化・還元される物質を活物質という。電池ごとに覚えることは「負極活物質（還元剤）」「正極活物質（酸化剤）」「電解液」の 3 つで、これがわかれば各極の反応も見当がつく。

二次電池は、放電で起こった反応を、外部の電源で逆向きに電子を押し込むことでもとに戻せる電池である。充電するときは、電池の負極を外部電源の負極に、正極を外部電源の正極につなぎ、放電と逆の反応を起こす。代表例の鉛蓄電池（負極 Pb、正極 PbO $_{2}$ 、電解液希硫酸）では、放電すると次の反応が起こる。

負極： $Pb + S O_{4}^{2 -} \to PbS O_{4} + 2 e^{-}$

正極： $Pb O_{2} + 4 H^{+} + S O_{4}^{2 -} + 2 e^{-} \to PbS O_{4} + 2 H_{2} O$

両極とも水に溶けにくい PbSO $_{4}$ が表面につくので両極の質量が増え、電解液からは H $_{2}$ SO $_{4}$ が使われて水ができるので硫酸の濃度が下がる。充電するとこの逆が起こり、硫酸の濃度はもとに戻る。

燃料電池は、水素の燃焼 $2 H_{2} + O_{2} \to 2 H_{2} O$ を、負極で H $_{2}$ を酸化（ $H_{2} \to 2 H^{+} + 2 e^{-}$ ）、正極で O $_{2}$ を還元（ $O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-} \to 2 H_{2} O$ ）と 2 か所に分けて行い、その間を流れる電子を取り出す装置である（電解液にリン酸水溶液を用いる場合）。生成物は水だけである。

手順

電池の名前から、一次電池・二次電池・燃料電池のどれかを確かめる（一次：マンガン乾電池・アルカリマンガン乾電池・リチウム電池など、二次：鉛蓄電池・ニッケル水素電池・リチウムイオン電池など）。
負極活物質・正極活物質・電解液を当てはめる。マンガン乾電池：負極 Zn、正極 MnO $_{2}$ 、電解液 ZnCl $_{2}$ と NH $_{4}$ Cl の水溶液（アルカリマンガン乾電池は電解液が KOH 水溶液）。鉛蓄電池：負極 Pb、正極 PbO $_{2}$ 、電解液希硫酸。燃料電池：負極 H $_{2}$ 、正極 O $_{2}$ 。リチウムイオン電池：負極リチウムを含む黒鉛、正極コバルト酸リチウム LiCoO $_{2}$ など、電解液リチウム塩を溶かした有機溶媒。
負極では酸化（電子を出す）、正極では還元（電子を受け取る）が起こることから、各極の反応を確かめる。
放電・充電による変化を判定する。鉛蓄電池の放電では両極に PbSO $_{4}$ が生じて両極の質量が増え、硫酸の濃度が下がる。充電はその逆で、電池の負極を外部電源の負極に、正極を正極につないで行う。

例題

鉛蓄電池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　放電すると、負極の質量は減少する。
イ　放電すると、電解液の硫酸の濃度は小さくなる。
ウ　正極の活物質は鉛 Pb である。
エ　充電して繰り返し使うことのできない一次電池である。

例題の解答

手順 1：鉛蓄電池は充電して繰り返し使える二次電池である。よってエは誤り。

手順 2：負極活物質は Pb、正極活物質は PbO $_{2}$ 、電解液は希硫酸である。よってウは誤り。

手順 3・4：放電すると、負極では $Pb + S O_{4}^{2 -} \to PbS O_{4} + 2 e^{-}$ により Pb の表面に PbSO $_{4}$ がつくので、負極の質量は増加する。よってアは誤り。正極でも $Pb O_{2} + 4 H^{+} + S O_{4}^{2 -} + 2 e^{-} \to PbS O_{4} + 2 H_{2} O$ により PbSO $_{4}$ が生じる。両極で H $^{+}$ と SO $_{4}^{2 -}$ （つまり H $_{2}$ SO $_{4}$ ）が使われ、水が生じるので、硫酸の濃度は小さくなる。よってイは正しい。

よって答えはイである。

答え:

イ

よくある誤り

鉛蓄電池の放電で負極の鉛が溶け出して質量が減る、としてしまう誤り。正しくは、 $Pb + S O_{4}^{2 -} \to PbS O_{4} + 2 e^{-}$ で生じた PbSO $_{4}$ は水に溶けにくく電極の表面につくので、負極も正極も質量が増加する。
鉛蓄電池を充電するとき、電池の負極を外部電源の正極につなぐ、としてしまう誤り。正しくは、電池の負極を外部電源の負極に、正極を外部電源の正極につなぎ、 $PbS O_{4} + 2 e^{-} \to Pb + S O_{4}^{2 -}$ のように放電と逆の反応を起こす。
燃料電池で負極に酸素、正極に水素を供給する、としてしまう誤り。正しくは、電子を出す（酸化される）水素が負極（ $H_{2} \to 2 H^{+} + 2 e^{-}$ ）、電子を受け取る（還元される）酸素が正極（ $O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-} \to 2 H_{2} O$ ）である。
マンガン乾電池やリチウムイオン電池の一次・二次を取り違える誤り。正しくは、マンガン乾電池は充電できない一次電池、リチウムイオン電池は充電できる二次電池である（負極にリチウムを含む黒鉛、正極に LiCoO $_{2}$ などを用いる）。

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）
負極に鉛 $Pb$ 、正極に酸化鉛(IV) $Pb O_{2}$ 、電解液に希硫酸を用いた電池がある。この電池を放電させると、両極の表面に硫酸鉛(II) $PbS O_{4}$ が生じ、電解液の硫酸の濃度が小さくなる。また、外部の直流電源をつないで放電のときと逆向きに電流を流すと、もとの状態にもどすことができるので、自動車のバッテリーなどに使われている。
この電池を何というか。漢字で答えよ。

この技能を使う問題

難易度 3（共通テストレベル）

鉛蓄電池は、負極に鉛 $Pb$ 、正極に酸化鉛(IV) $Pb O_{2}$ 、電解液に希硫酸を用いた二次電池である。鉛蓄電池について述べた次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜カのうちから 1 つ選べ。

「鉛蓄電池を放電させると、（ a ）の表面に水に溶けにくい硫酸鉛(II) $PbS O_{4}$ が生じる。また、放電にともなって電解液の密度は（ b ）。」

	a	b
ア	負極だけ	大きくなる
イ	正極だけ	小さくなる
ウ	正極と負極の両方	大きくなる
エ	負極だけ	小さくなる
オ	正極と負極の両方	小さくなる
カ	正極だけ	大きくなる

	a	b
ア	鉛	大きくなる
イ	鉛	小さくなる
ウ	硫酸鉛(II)	大きくなる
エ	硫酸鉛(II)	小さくなる
オ	酸化鉛(IV)	大きくなる
カ	酸化鉛(IV)	小さくなる

この技能の次に学べること

鉛蓄電池の放電と電解液の濃度変化（高校化学酸化還元と電池・電気分解）