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化学

電池とは？理科の授業っぽく簡単にわかりやすく解説

 
電池とは 理科

理科、特に化学目線で電池とは何か？、一言でいうなら
酸化還元反応が関係する仕組みだといえます。

酸化還元反応を利用して電子を外部に流すことで
電池ができています。

ではどのような仕組みで電子が流れているのでしょう？

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電池とは？理科の授業っぽく解説

たとえばスマホやパソコンはリチウムイオン電池という電池を使っています。


ちなみに乾電池はマンガン電池です。

電池って実は星の数ほどあります。
それぞれの負極や正極で起こる反応はそれぞれ違ってきます。

どんどん新しい電池が開発されています。
なので、この記事では有名な電池について解説しながら
電池とは何か？一緒に考えていきましょう。

電池とはいったいどんなもの？

具体的にどんな反応をするかは電池の種類によって様々です。
ただ。大きく原理としては共通するものがあります。
すべての電池に共通するものを説明していきます。

電池というのは酸化剤と還元剤の反応によって作られています。
⇒酸化剤と還元剤語呂を使った覚え方

電池とは 理科

上の図のように酸化剤と還元剤を接触させたとしましょう。
酸化剤が相手から電子を奪い取ります。
電子を奪われるものを還元剤、電子を奪うものを酸化剤と定義されていますからね。

これって電子が酸化剤に動いているわけですが、
ですが、私たちが電池として利用できるものではありません。

電池とは 理科
なぜなら、上の図のようなタイプだと外に電子が流れないからです。

外に電子が流れないと電球をつけたりモーターを回したりできません。
これは完全に失敗です。
こういう電池を局部電池といいます。
局部電池みたいに1か所で酸化還元反応が完結してしまっては
電気を取り出すことができません。

局部電池は一般的な人間が利用できる電池としては失敗になります。

では身の回りにある電池っていったいどんな構造をしているのでしょう？
身の回りの電池
還元剤と酸化剤が離れています。
接触していません。
酸化剤と還元剤と離して導線で結びます。
すると、外を通して電子のやり取りが起こるようになるわけです。

外に電子が流れているから、電気を取り出すことができ
結果として電池として利用することができます。

もちろん、こんなシンプルな仕組みだけで電池として利用できるわけではありません。
寿命や耐久性、安全性などいろんな問題をクリアーする必要がありますから。
でも、まず『外に電子が流れること』が絶対条件です。

だから電池は極板は接触せず、必ず離れて存在してます。
電池において電子を放出する極板負極（ー）といいます。
つまり、還元剤として働くものが負極になっています。

そして電子を受け取る極板を正極（＋）といいます。
なので、酸化剤が正極として働くことになります。

まとめ

・還元剤・・・電子を奪われる（負極、ー極）
・酸化剤・・・電子を奪う（正極、＋極）

です。

以上が電池とは何か？です。

ではここから具体的な電池について解説していきます。

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理科（化学）の学習で知っておきたい電池とは？

ダニエル電池とは？

まずダニエル電池から。
ダニエル電池は教科書に掲載されている電池としては一番古いものになります。
昔はボルタ電池が一番古い電池でした。
でも、ボルタ電池は現在では電池としてみなさないことになっています。
なので、ダニエル電池が一番古い電池になります。

ちなみにダニエル電池はダニエルさんが発見したからダニエル電池です。
もし、山田さんが発見してたら山田電池となっていたでしょう。
「ヤマダ電機みたい！」って突っ込まれそうですね（苦笑）。

ダニエル電池っていったいどんな仕組みを利用しているのでしょう？
イオン化傾向の違いを利用しています。
⇒イオン化傾向の特徴についてわかりやすく解説

ダニエル電池

亜鉛と銅を極版にします。
亜鉛が浸っている水溶液が$ZnSO_4 $で、銅は$CuSO_4 $の水溶液に浸っています。
イオン化傾向は亜鉛の方が大きいです。

だから亜鉛板から$Zn^{2＋} $（亜鉛イオン）が先に陽イオンとなって溶けていきます。
$Zn^{2＋} $となったとき、同時に電子$2e^{-} $が放出されることになります。
そのとき放出された電子$2e^{-} $が導線を通って反対側の極板（銅板）にやってくるわけです。

なので、亜鉛が負極、銅板が正極となります。
電子を受け取る側が酸化剤（正極）ですからね。

ダニエル電池

正極にやってきた電子は誰が受け取るでしょう？
これは水溶液中にある陽イオンです。
電子はマイナスの電荷をもった粒ですから
正電荷を持った粒（＋）に受け取られます。

水溶液中には$Cu^{2＋} $（銅イオン）という陽イオンがありますからね。
銅イオンが電子をもらって単体の$Cu $(銅）が析出します。

これがダニエル電池の反応です。

ダニエル電池の化学反応

・（負極）$Zn $⇒$Zn^{2＋} $＋$2e^{ー} $
・（正極）$Cu^{2+} $+$2e^{ー} $[⇒$Cu $/box04]

です。

ダニエル電池は1800年代に作られた電池なので
かなりシンプルです。
でも、電気を取り出すことに成功したことについては歴史的意義は大きいでしょう。

鉛蓄電池（なまりちくでんち）とは？

鉛蓄電池は車のバッテリーなどに利用されている電池です。
エンジンをかける一発目、ガソリンに火花を飛ばして点火するのですが、
この電気火花を飛ばすのが鉛蓄電池の大きな仕事です。

鉛蓄電池の極板ですが、$Pb $（鉛）と$PbO_2 $（二酸化鉛）です。
ではどうしてこれで電子が流れるのでしょう？
そもそもイオン化傾向に差はありませんからね。
同じ鉛ですからね。
⇒イオン化傾向の特徴についてわかりやすく解説

ではどうして$Pb $（鉛）と$PbO_2 $（二酸化鉛）を導線で結ぶと
電子が流れるのでしょう？

鉛蓄電池

それはイオン化傾向の違いではありません。
酸化数の違いです。
$Pb $（鉛）の酸化数は0です。
$PbO_2 $（二酸化鉛）の酸化数は＋４です。
$Pb $（鉛）とという金属は酸化数が＋２になったときがもっとも安定した状態なのです。

鉛はいろんな酸化数になれます。
でも＋２（$Pb^{２＋} $になりたいのです。

酸化数０の$Pb $（鉛）が$Pb^{２＋} $
酸化数＋４の$PbO_2 $（二酸化鉛）が$Pb^{２＋} $になるには
どうすればよいでしょう？

$Pb $は電子を2つ捨てればよいわけです。
$PbO_2 $は電子を2つもらえばよいですね。

つまり、酸化数を安定な＋２にするために電子の循環が起きているわけです。
よって、$Pb $（鉛）が負極、$PbO_2 $が正極になります。

燃料電池とは？

燃料電池は環境にやさしいクリーンな電池です。
反応後に水しかできないからです。
ただ、デメリットもあります。
値段が高いです。
まだまだ改良の余地がある電池です。

燃料電池

まず、片方の通気口から水素ガス（$H_2 $）を吹き込みます。
白金板（$Pｔ $）が触媒として使われています。
白金板は電気を通すというのでなく、水素ガスの酸化反応を促進する触媒として利用されています。

そして、水素イオン（$Ｈ^{＋} $）は水溶液中に出ていきます。
燃料電池
で、電子は反対側の極板に移動し、空気中の酸素（$\frac{１}{２} $$O_2 $）と還元反応を起こし、
$O^{２ー} $（酸化物イオン）ができます。

この酸化物イオンはリン酸水溶液中（$H_2PO_4 $）の$2H^{＋} $とすぐに反応（中和反応）して
水（$H_2O $）ができます。
これで反応が完結です。
こんな感じで水しかできていませんね。

なので環境にやさしいクリーンな電池だといえます。
燃料電池において負極として働くのは水素ガス（$H_2 $）を吹き込んだ極板です。
そして酸素が反応する側の極板が正極です。

燃料電池の反応

・（負極）$H_2 $⇒$2H^{＋} $＋$2e^{-} $
・（正極）$\frac{１}{２} $$O_2 $＋$2e^{-} $＋$2H^{＋} $⇒$H_2O $

です。

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理科分野における電池とは？電気消費量について

いかがだったでしょうか？
鉛蓄電池にしても燃料電池にしても流れた電子が何モルなのか？によって
どれだけの電気を消費したか？計算できます。

公式があります。

流れた電子消費量

$e^{-} $（mol)=$\frac{電気量（C、クーロン）}{ファラデー定数} $
備考）ファラデー定数は96500(C/mol)
電気量は何A（アンペア）の電流を何秒間流したか？で
アンペア×秒数＝電気量

です。

上記式で流れた電子の物質量が何モルかわかると
計算ができます。

酸化剤と還元剤が反応した時、電子が動きます。
この電子が動くことを利用した装置が電池です。

この電池を理解するためには半反応式の理解が必要です。
⇒半反応式の問題を解きながら作り方も覚えよう！
なぜなら半反応式が極板の反応式になりますからね。

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わかりやすく 理科 簡単に 電池とは
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