化学と本の巻~nao blog~

様々な本(小説や実用書)または化学(高校生向け)に関するトピックを紹介していきます。

化学の巻↓ 化学基礎(高校)

電池と電気分解とは?(様々な電池の原理を知る!)

投稿日:8月 2, 2020 更新日:

今回は電池と電気分解について解説するにゃ。しっかり理屈を理解していこう。

・電池の原理とは?

酸化還元反応は反応物の間で必ず電子の受け渡しが行われ、このときに発生する化学エネルギーを電気エネルギーに変える装置を電池といいます。

下の図を見てください。異なる2種類の金属を導線でつなぎ、水溶液の中にいれると電池ができます。このときの2種類の金属を電極といい、電子が流れ出て行く電極を負極、電子が流れてくる電極を正極といいます。このときに電子の受け渡しが行われている=酸化還元反応が起こっています。電子を放出する還元剤が負極、電子を受け取る酸化剤が正極となります。

電子は負極から正極へと流れ込みますが電流の向きは電流の流れと逆向きであり正極から負極に流れるので注意が必要です。

電池で還元剤(自身は酸化)になりやすい物質はそれは電子を放出して陽イオンになりやすい金属単体です。酸化=電子を放出する=陽イオンになるということです。実は金属によってこの陽イオンへのなりやすさが違います。この陽イオンへのなりやすさを金属のイオン化傾向といいます。イオン化傾向の大きい金属ほど酸化されやすいのでイオン化傾向の大きい方が負極になります。また金属をイオン化傾向の大きい順に並べた物を金属のイオン化列といいます。金属のイオン化列は下の表です。

・ダニエル電池とは?

亜鉛Zn板を浸した硫酸亜鉛ZnSO4水溶液と銅Cu板を浸した硫酸銅(Ⅱ)CuSO4水溶液を素焼き板で仕切った装置をダニエル電池という。亜鉛板と銅板ではイオン化傾向がZn>Cuであることを思い出しましょう。Znの方がイオン化傾向が大きいので電子を放出し負極です。一方で正極がCuとなります。

(負極)Zn → Zn2+ +2e

(正極)Cu2+ + 2e →Cu

(全体)Zn + Cu2+ →Zn2+ + Cu

素焼き板の仕切りは正、負両極の水溶液が混じるのを防いでいます。電流を流すと素焼き板にあいている小さな穴を通って陰イオンが負極に、陽イオンが正極へ向かって移動します。

・鉛蓄電池とは?

 鉛蓄電池は希硫酸に鉛Pb板と酸化鉛(IV)PbO2板を浸した電池となります。金属単体であるPbが負極、PbO2が正極です。反応後はどちらも鉛(Ⅱ)イオンPb2+になり硫酸鉛(Ⅱ)PbSO4として出てきます。よって放電したあと電解液である希硫酸の濃度は下がり一方で両極の質量はPbSO4が生成するので増加します。

(負極)Pb→Pb2+ + 2e 両辺にSO42-を加える。

Pb + SO42-→PbSO4+ 2e (A)

(正極)PbO2+ 2e + 4H+ →Pb2++2H2O 両辺にSO42-を加える。

PbO2+ 2e + 4H++ SO42- →PbSO4 +2H2O (B)

(A)と(B)の式を合わせると電子が消えます。

(全体)Pb +PbO2+2H2SO4 → 2PbSO4+ 2H2O

ここで一次電池と二次電池(蓄電池)について説明します。一次電池とは充電できない電池で二次電池(蓄電池)は充電できる電池のことです。鉛蓄電池は充電できる二次電池の部類になります。外部から方電池とは逆向きに電流を流すと起電力を回復させることができます。一方でマンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池などは放電を続けると起電力が低下し回復することができません。充電は起電力を回復させる操作だと覚えていきましょう。

・マンガン乾電池とは?

マンガン乾電池は一番身近な乾電池だと個人的に思っています。放電するときの負極と正極の反応は以下です。

(負極)Zn → Zn2+ + 2e

(正極)MnO2 +e +H+ → MnO(OH)

・リチウムイオン電池とは?

私たちが使っているスマホやパソコンに使われているのがリチウムイオン電池です。放電時の負極と正極の反応式は以下です。

(負極)LixC → C + xLi+ +xe

(正極)Li1-xCoO2 + xLi+ + xe→ LiCoO2

Li+とeの係数がxで等しいです。

・燃料電池とは?

 負極に水素、正極に酸素、電解液にリン酸水溶液を用いた燃焼電池を以下に示します。

(負極)H2 → 2H+ + 2e

(正極)O2 + 4e +4H+ →2H2O

(全体)2H2 + O2 →2H2O

ダニエル電池、鉛蓄電池、燃料電池はしっかり覚えておこう!

・電気分解とは?

電解質の水溶液などに電極をいれて直線電流を流して酸化還元反応を起こさせることを電気分解といいます。電池の負極と接続している極板を陰極といい、正極につないだ電極を陽極といいます。

陰極と陽極でそれぞれ起こる反応が違います。電池の負極から電子が出て行き、陰極へと電子が流れていきます。そして電子を受け取る反応がおこります。一方陽極では電子を放出する反応が起こり、その電子が電池の正極へと流れます。次に具体的に陰極と陽極でおこる反応をみていきましょう。

まず陰極でおこる反応から見ていきます。陰極では電子が流れ込んでくるので最も還元されやすい物質が電子を受け取ります。優先順位を下にのせます。

  1. Ag+ + e →Ag
  2. Cu2+ + 2e →Cu
  3. 2H+ +2e→H2(水溶液が酸性の時)
  4. 2H2O +2e→H2 +2OH(水溶液が中性または塩基性のとき)

金属のイオン化列を思い出してください。

CuやAgのイオン化傾向は低い=還元されやすいので優先順位的に電解質水溶液に使われていないか考えていきましょう。イオン化列をみてなぜ水素が貼っているのか疑問に思うひともいたとおもいますがイオン化列の水素の位置はっとても大事です。Li+やK+のイオン化傾向の大きいものより水素のイオン化傾向が低いので代わりにHが電子を受け取ってくれ、3または4の反応が起こります。4の式は3の式の両辺に2OH(塩基性なので)加えるとこの式ができます。

次に陽極でおこる反応をみていきます。電子が流れ出す陽極では酸化されやすい物質が電子を失う酸化反応が起こります。優先順位を下にのせます。

  1. 白金や金以外の金属を陽極にした場合M→Mn++ne
  2. ハロゲン化物イオン2X →X2++2e
  3. 2H2O → O2+4e+4H+(液性が中性または塩基性のとき)
  4. 4OH →O2+4e+2H2O(液性が塩基性の時)

極板にCuといった金属板が使われているときは極板が水溶液中に溶け出す反応がおこります。しかし白金や金は例外なので気をつけましょう。極板に白金や炭素某など水溶液中に溶け出さないものの場合、電子を放出しやすいのは鳩原価物イオンです。つぎに以上のもの以外にの場合H2O分子中のOが電子を出します。これも陰極の時と同様に水溶液の液性によって変わります。4の式は3の式の両辺に4OHを加えたら出来ます。

電池と電気分解は似ているけど反応には大きな差違があるにゃ。電池は負極で生産された電子が正極へ向かって自然に流れ出し、正極でこの電子を放出するにゃ。一方電気分解では陰極に電源から電子が流れ込まれてくるので電子が消費される反応がおこり、陽極では電源へ務糧電子が吸い取られていくので電子が生産される反応がおこるにゃ。電池は自発的に反応がおこり電気分解では強制的に酸化還元反応をおこしていう点が違うにゃ。

・まとめ

  • 電池 酸化還元反応の化学エネルギーを電気エネルギーに変える装置
  • 負極 酸化反応がおこる
  • 正極 還元反応がおこる
  • 放電 電池から電流をとりだすこと
  • 充電 放電時とは逆向きの電流を流し、電池の起電力を回復させること
  • 一次電池 充電できず起電力を回復させること
  • 二次電池(蓄電池) 充電により起電力を回復できる装置
  • 電気分解 電池のエネルギーを利用して酸化還元反応を起こす反応

・演習問題

問1.下の図の電極(a)、(b)と電解質溶液A、Bを表のア~エのように組み合わせて4種類の電池をつくった。アからエの中で正極にCuが析出するのはどれか?

(a)(b)AB
FeMgFeSO4aqMnSO4aq
ZnCuZnSO4aqCuSO4aq
CuSnCuSO4aqSnSO4aq
CuAgCuSO4aqAgNO3

解答(イ)、(ウ)

(イ)(負極)Zn → Zn2+ +2e

   (正極)Cu2+ + 2e →Cu

(ウ)(負極)Sn→ Sn2+ +2e

   (正極)Cu2+ + 2e →Cu

問2.CuSO4水溶液の電気分解(Cu極板)の各電極での化学反応式を書け。

解答.(陰極) Cu2+ + 2e →Cu

(陽極)Cu →Cu2+ + 2e

-化学の巻↓, 化学基礎(高校)

執筆者:


comment

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です

CAPTCHA


関連記事

反応熱と熱化学方程式(様々な熱やエネルギー)を理解しよう!

今回は熱化学の分野について解説するにゃ。化学反応には熱を放出したり、あるいは熱を吸収する反応があるにゃ。その反応の様子を数値であらわしたものが熱化学方程式だにゃ。 目次 熱化学方程式とは?様々な反応熱 …

核酸・酵素について(DNAやRNAなどの特性)学習しよう!

今回は核酸と酵素について解説するにゃ。特に核酸はDNAとRNAなので僕たちにはとても大切なことだにゃ! 目次 DNAとRNAについて酵素について演習問題 ・DNAとRNAについて まず核酸について説明 …

アミノ酸とタンパク質の性質や特性を知る!!

タンパク質はαーアミノ酸がペプチド結合で鎖状に連結してできたペプチドからできています。今回はアミノ酸とタンパク質を中心に解説していくにゃ! 化学と本の巻~nao blog~単糖類、二糖類、多糖類htt …

繊維と染料(天然繊維・化学繊維・様々な染料)を復習しよう!!

今回は繊維を取り上げるにゃ。アゾ染料に関しては下の記事あるにゃ! 化学と本の巻~nao blog~アニリンについてhttps://bolg-run-nao.com/about-anilineアニリンは …

原子の電子配置と元素の周期表が分からない人は必見!

今回は原子の電子配置と元素の周期表について解説するにゃ!色々な元素名が出てくるからしっかり勉強することが大事だぞ。そもそも原子について復習為したい人は↓をチェックにゃ! 化学と本の巻~nao blog …

 


nao(管理人)

こんにちは!このブログを運営するnaoです。現在某国立地方大学大学院修士2年生です。工学研究科に属していて主に化学を中心に学んでいます。このサイトでは化学と関わりのある内容および本の書評を投稿していきます。

所持資格↓

危険物取扱免状(甲種)、公害防止管理者水質第一種