化学電池と金属のイオンへのなりやすさ

金属と水溶液の組み合わせの実験結果から金属のイオンへのなりやすさの順を判定でき、ダニエル電池などで－極・＋極、電子と電流の向き、各極板での変化を答えられ、一次電池・二次電池（蓄電池）・燃料電池の用語を答えられる

前提

イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）
静電気・放電と電子（中学理科物理分野の用語と知識）

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原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）
力の種類とはたらき（中学理科物理分野の用語と知識）
静電気・放電と電子（中学理科物理分野の用語と知識）

説明

金属を、ほかの金属のイオンをふくむ水溶液に入れたときに起こる変化から、どちらの金属が陽イオンになりやすいか（イオンへのなりやすさ）を判定できるようになります。さらに、イオンへのなりやすさのちがう 2 種類の金属と電解質の水溶液を使うと、物質のもつ化学エネルギーを電気エネルギーに変える化学電池がつくれます。ダニエル電池などで、どちらの金属が－極になるか、電子や電流がどちら向きに流れるか、各極板で何が起こるかを答えられるようにし、一次電池・二次電池（蓄電池）・燃料電池という電池の分類の用語も覚えます。

なぜそうしてよいのか

金属の原子は、電子を失って陽イオンになることがあります。たとえば亜鉛原子は電子を 2 個失うと亜鉛イオンになります（ $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ 、 $e^{-}$ は電子 1 個を表す）。どれくらい陽イオンになりやすいかは金属の種類によってちがいます。硫酸銅水溶液（銅イオン $C u^{2 +}$ をふくむ）に亜鉛板を入れると、亜鉛板の表面に赤色の銅が付着し、水溶液の青色がうすくなります。これは、亜鉛原子が電子を失って亜鉛イオンとして溶け出し、その電子を銅イオンが受け取って銅原子になったからです（ $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$ ）。逆に、硫酸亜鉛水溶液に銅板を入れても何も起こりません。このことから、亜鉛は銅より陽イオンになりやすいとわかります。一般に「金属 A を金属 B のイオンをふくむ水溶液に入れて、A の表面に B が付着したら、A のほうが B より陽イオンになりやすい」と判定できます。マグネシウム・亜鉛・銅では、陽イオンへのなりやすさはマグネシウム＞亜鉛＞銅の順です。

亜鉛板を硫酸銅水溶液に直接入れると、電子は亜鉛から銅イオンへその場で移るだけで、外に電流は取り出せません。そこで、亜鉛板を硫酸亜鉛水溶液に、銅板を硫酸銅水溶液に入れ、2 つの水溶液をセロハン（または素焼きの板）で仕切り、2 枚の金属板を導線でつなぎます。これがダニエル電池です。陽イオンになりやすい亜鉛が電子を失って $Z n^{2 +}$ として溶け出し、残された電子は導線を通って銅板へ移動します。銅板の表面では、水溶液中の $C u^{2 +}$ がその電子を受け取って銅になり、銅板に付着します（ $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ ）。こうして導線に電子の流れ、つまり電流が生じます。

電子は－の電気をもつので、電子が出ていく極板が－極、電子が流れこむ極板が＋極です。また、電流の向きは「＋極から出て－極にもどる向き」と決められているため、電流の向きは電子の移動の向きと逆になります。セロハンは 2 つの水溶液がすぐに混ざるのを防ぎながら、イオンを少しずつ通すので、電池のはたらきが続きます。使うと電圧が下がり元にもどせない電池を一次電池（マンガン乾電池・アルカリ乾電池など）、外から電流を流す（充電する）とくり返し使える電池を二次電池または蓄電池（鉛蓄電池・リチウムイオン電池など）といいます。水素と酸素が化合して水ができる化学変化から電気エネルギーを直接取り出す装置を燃料電池といいます（ $2 H_{2} + O_{2} \to 2 H_{2} O$ ）。

手順

金属と水溶液の実験結果を読む：金属 A を、金属 B のイオンをふくむ水溶液に入れて、A の表面に B が付着すれば「A は B より陽イオンになりやすい」。変化がなければ「B のほうがなりやすい」
いくつかの組み合わせの結果を並べて、陽イオンになりやすい順に金属を並べる（例：マグネシウム＞亜鉛＞銅）
電池では、2 種類の金属のうち陽イオンになりやすいほうが－極、なりにくいほうが＋極と決める
－極の金属は電子を失って陽イオンとして溶け出し、極板がうすくなる（ダニエル電池なら $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ ）。＋極では水溶液中の陽イオンが電子を受け取る（ダニエル電池なら $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ で銅が付着する）
電子は導線を－極から＋極へ移動し、電流はその逆の＋極から－極へ流れる
電池の分類を答えるときは、充電できない＝一次電池、充電してくり返し使える＝二次電池（蓄電池）、水素と酸素の化学変化から電気を取り出す＝燃料電池、と整理する

例題

ダニエル電池をつくった。亜鉛板を硫酸亜鉛水溶液に、銅板を硫酸銅水溶液に入れ、2 つの水溶液をセロハンで仕切り、亜鉛板と銅板を導線とモーターでつないだところ、モーターが回った。このとき、－極と、導線を流れる電子の移動の向きの組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
ア　－極は亜鉛板で、電子は亜鉛板から銅板へ移動する
イ　－極は亜鉛板で、電子は銅板から亜鉛板へ移動する
ウ　－極は銅板で、電子は亜鉛板から銅板へ移動する
エ　－極は銅板で、電子は銅板から亜鉛板へ移動する

例題の解答

手順 3：亜鉛と銅では、亜鉛のほうが陽イオンになりやすい（亜鉛板を硫酸銅水溶液に入れると銅が付着することからわかる）。したがって、陽イオンになりやすい亜鉛板が－極、銅板が＋極である。
手順 4：－極の亜鉛板では、亜鉛原子が電子を失って亜鉛イオンになり水溶液に溶け出す（ $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ ）。＋極の銅板では、銅イオンが電子を受け取って銅になり付着する（ $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ ）。
手順 5：亜鉛板で生じた電子は導線を通って銅板へ移動する。つまり電子は亜鉛板から銅板へ移動する（電流はその逆で、銅板から亜鉛板へ流れる）。
よって、「－極は亜鉛板で、電子は亜鉛板から銅板へ移動する」アが正しい。

答え:

ア

よくある誤り

電子の移動の向きと電流の向きを同じにしてしまう誤り。正しくは、電子は－極から＋極へ（ダニエル電池では亜鉛板→銅板）移動し、電流はその逆の＋極から－極へ（銅板→亜鉛板）流れる。
＋極の銅板が溶けると考えてしまう誤り。正しくは、溶けるのは陽イオンになりやすい－極の亜鉛で（ $Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ ）、＋極の銅板には銅イオンが電子を受け取ってできた銅が付着する（ $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ ）。そのため硫酸銅水溶液の青色はうすくなる。
「金属 A を金属 B のイオンの水溶液に入れて B が付着した」結果から、B のほうがイオンになりやすいと逆に判定してしまう誤り。正しくは、付着した B はイオンから原子にもどったのであり、溶け出した A のほうが陽イオンになりやすい（例： $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$ なので亜鉛＞銅）。
燃料電池を、燃料を燃やした熱で発電するものと考えたり、充電できる電池を一次電池と呼んだりする誤り。正しくは、燃料電池は水素と酸素の化学変化（ $2 H_{2} + O_{2} \to 2 H_{2} O$ ）から電気エネルギーを直接取り出す装置で、充電してくり返し使える電池は二次電池（蓄電池）、充電できない電池が一次電池である。

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）
物質がもつ化学エネルギーを電気エネルギーに変えてとり出す装置を化学電池という。化学電池のうち、外部から水素と酸素を供給し続け、水素と酸素が化学変化して水ができるときに、電気エネルギーを直接とり出す装置を何というか。

この技能を使う問題

難易度 3（公立高校入試の標準レベル）

マグネシウム、亜鉛、銅の 3 種類の金属片と、硫酸マグネシウム水溶液、硫酸亜鉛水溶液、硫酸銅水溶液の 3 種類の水溶液を用意した。それぞれの金属片をそれぞれの水溶液に入れて、金属片の表面のようすを観察したところ、結果は次の表のようになった。

	硫酸マグネシウム水溶液	硫酸亜鉛水溶液	硫酸銅水溶液
マグネシウム片	—	灰色の物質が付着した	赤色の物質が付着した
亜鉛片	変化しなかった	—	赤色の物質が付着した
銅片	変化しなかった	変化しなかった	—

次に、容器の中をセロハンで 2 つに仕切り、一方に硫酸マグネシウム水溶液を入れてマグネシウム板を、もう一方に硫酸亜鉛水溶液を入れて亜鉛板をひたした。マグネシウム板と亜鉛板を導線で光電池用モーターにつなぐと、モーターが回転し、電池になっていることがわかった。

この電池について説明した文として最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。

ア　亜鉛板が－極になり、亜鉛原子が電子を失って亜鉛イオンになる。
イ　電子は導線を通って亜鉛板からマグネシウム板へ移動する。
ウ　マグネシウム板が－極になり、マグネシウム原子が電子を失ってマグネシウムイオンになる。
エ　電流は導線を通ってマグネシウム板から亜鉛板へ流れる。
オ　亜鉛板の表面では、亜鉛原子が電子を受け取って亜鉛イオンになる。

この技能の次に学べること

電池と電子の移動（中学理科化学変化とイオン）
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））