イオンと電池とは? 乾電池の仕組みとは?

ボルタの電池

イオンになりやすいが金属と
イオンになりにくい金属をうすい酸の中につけたらどうなるでしょう。

10パーセントぐらいの希硫酸に銅板と亜鉛板とをさし入れただけでは
亜鉛板の表面からさかんに水素がでるだけです。

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ところが、図のような装置を組み立てて
スイッチを押してみると豆電球がつくことがわかります。

また、電流計をつないでみると
2つの金属板のあいだに電流が流れていることがわかります。

亜鉛は水素よりイオンになりやすいので
電子を残して、亜鉛イオンとなり希硫酸に溶けだします。
亜鉛板に残った電子は、針金を通って自由に動きます。

それで、希硫酸中の水素イオンは銅板から電子を奪って水素となります。

つまり、銅板と亜鉛板をむすぶ針金の中を電子が移動するわけです。
電流の方向は、電子の流れる方向と逆にするという約束がありますので
この装置では、銅板が陽極、亜鉛板が陰極になります。

このように、イオンの化学変化を利用して電流を生じさせる装置を電池といいます。

希硫酸中に銅板と亜鉛板を入れただけのボルタの電池は
銅板の表面に細かい水素の泡がたくさんついて
水素イオンが電子とむすびつくのを妨げるため実用になりません。

実用的には、これらの点を改良した、いろいろな電池がつくられています。




乾電池

乾電池は真ん中に炭素棒の陽極があり
外側に亜鉛のかんがあって、これが陰極になっています。

乾電池の電極間の電圧は1.5ボルトをしめします。
乾電池の炭素棒は、ボルタの電池の銅板にあたるものです。

亜鉛は亜鉛イオンになって少しずつ減ります。
つまり、電子が余分になった状態になりやすいのですから、陰極になるわけです。

乾電池の中のイオンの動きを考えてみましょう。

陰極においては、ボルタの電池の場合と同じように
亜鉛が極に電子を残してイオンになります。

この亜鉛のイオンは、電解液として入っている塩化アンモニウムが電離してできたアンモニウムイオンと反応して
化学反応式にあるように錯イオンをつくります。

電解液の中に、亜鉛イオンが増えると
亜鉛(陰極)がしだいにイオンになりにくくなりますが
このように錯イオンができるために
亜鉛イオンの濃度は増えず、亜鉛のイオン化がすすみます。

また、陽極の炭素のところでは
やはり、水素イオンが電子を受け取って水素が発生しますが
電解液にふくまれる二酸化マンガンと反応して水ができます。

ですから、ボルタの電池のときのように
生じた水素ガスが電極の接触を妨げたり、水素が電離して
電池の電圧を低くするようなこと(これを分極作用といいます)が起こりません。

乾電池のときに使われる二酸化マンガンなどの酸化剤は
分極作用をなくすためのものですから
消極剤、または減極剤などとよばれます。







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