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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。

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。

化合物や化学変化を、いちいち文章であらわすのは大変です。
そこで、元素を元素記号であらわすように化合物や化学変化も記号であらわしています。

分子式と組成式

水素分子や酸素分子の1個はそれぞれ水素原子、酸素原子が2個ずつ結びついてできています。

水素分子や酸素分子を記号であらわすにはそれぞれの元素記号を使ってH₂Oとあらわしています。

2Hとか2Oとあらわした場合はそれぞれ、水素原子2個、酸素原子2個という意味で分子をあらわすことにはなりません。

また、水の分子は水素原子2個と酸素原子1個とからできていますからH₂Oとあらわし、水の分子2個は2H₂Oとあらわします。

このような分子をあらわす記号を分子式といいます。

ところで、食塩の成分である塩化ナトリウムはナトリウムイオンと塩素イオンとの化合物ですがその結晶は、ナトリウムの陽イオンと塩素の陰イオンが四方八方につながっていて、分子の区別はつきません。

しかし、ナトリウムイオンと塩素イオンの比にいつでも1対1になっています。

それで、塩化ナトリウムの成分元素とその割合を記号であらわすと、NaClとなります。

このような場合に、分子式といわずに、組成式ということがあります。

また、イオウ・リンなどの単体や、金属などはその分子1個をつくる原子の数がはっきりしていませんがこれらの物質の分子式に、元素記号をそのま使ってあらわしています。

化学式と化学反応式

分子式や組成式のように物質をあらわすのに元素記号を使った式を化学式といいます。

化学式を使って化学変化をあらわすといろいろなことをいちどにしめすことができて非常に便利です。

例えば、水素と酸素とから水ができる化学変化は
　　2H₂ + O₂ → 2H₂O
とあらわします。

この式の左辺は、反応する前の物質が水素と酸素であり水素2分子と酸素1分子の割合で反応することをしめします。
また右辺は、反応してできた物質は水であり水素2分子と酸素1分子とからは、水2分子ができることをしめしています。

このように、化学式を使って化学変化の様子だけでなくその量の関係まであらわす式を化学反応式といいます。

化学反応式では、反応の途中で原子がなくなったり、新しくできたりすることはありません。

化学反応式の左辺に水素原子が4個あれば右辺にもかならず4個の水素原子かあるというように化学反応式の右辺と左辺の原子は必ず、同じ数でなければなりません。

水素ができる反応などは化学反応式を使ってつぎのようにあらわすことができます。

水素ができる反応

水を電気分解する

2H₂O → 2H₂ + O₂
水 → 水素 + 酸素

ナトリウムによって水を分解する

2H₂O + 2Na → H₂ + 2NaOH
水 + ナトリウム → 水素 + 水酸化ナトリウム

希硫酸と亜鉛から水素を発生させる

Zn + H₂SO₄ → H₂ + ZnSO₄
亜鉛 + 硫酸 → 水素 + 硫酸亜鉛

水素と酸素の化合

水を分解すると、水素と酸素が体積で2対1の割合でできますがこれとは逆に、水素と酸素とから水をつくることもできます。

しかし、水素と酸素とを体積で2対1の割合に混ぜただけでは水はできません。
この気体に火をつけると、爆発して水素も酸素もなくなり、水ができるのです。

この実験は、大量の気体で、壊れやすい器具を使って行うと危険です。
図のような装置を使い、少量の気体で水の中で行うと安全にできます。

この装置で、ニクロム線に電気を通し気体に火をつけると、爆発がおきます。

そして、管の中を水が上がるので気体がなくなったことがわかります。

もし、水素と酸素の割合が2対1になっていないと多いほうの気体のうち、余分なものが水にかわらずそのまま管の中に残ります。

水のかわりに、水銀を入れたユージオメーターという装置を使うと水素と酸素から水ができることが観察できます。

このように、水素と酸素がはたらきあって、結びつき水になることを、水素と酸素が化合して、水ができたといいます。

化合と合成

一般に、2つ以上の物がはたらきあって結びつきもとの物とは違った、全く新しい物になることを、化合といいます。

また、化合によってできる物を化合物といいます。

化合物をつくるもとの物の割合は水が水素2体積と酸素1体積の割合でできるように化合物によって決まっています。

気体以外の物では、体積では比べられれないので重さの割合で比べますがやはりもとの物の重さの割合は決まっています。

水素と酸素を化合させて水をつくったように化合を利用して化合物をつくることを合成といいます。

私たちの身の周りには、合成によってつくられたものが実にたくさんあります。

合成樹脂・合成ゴムはもちろんのこと塩酸やアンモニアなどの薬品のほとんどが合成によってつくられています。
　

化学変化と物理変化

分解や化合でできた物は、もとの物とは全く違った新しい物です。

このような分解や化合によっておこる変化を化学変化といいます。
水が分解して、水素と酸素とになる変化は化学変化です。

これに対して、水が熱せられて水蒸気になったり冷やされて氷になったりする変化は水の状態が変化するだけであって水そのものが変化したわけではありません。

このように、状態だけが変化することを物理変化といいます。

食塩を水に溶かすと、食塩と同じように塩辛い水になりますが食塩水を蒸留すると、また食塩と水がえられます。

この物が溶けるということも物理変化です。