ボルタ電池(仕組み・各極の反応・分極の理由など)

目次

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『ボルタ電池(仕組み・各極の反応・分極の理由など)』について解説しています。


ボルタ電池とは

  • 亜鉛Zn板と銅Cu板を希硫酸H2SO4に浸してできる電池をボルタ電池という。
  • ボルタ電池は、イタリア人であるボルタが1800年に発明した電池が原形になっている。

ボルタ電池の電池式

  • 上述の通り、亜鉛Zn板と銅Cu板を希硫酸H2SO4に浸してできる電池をボルタ電池という。
  • これを踏まえて、ボルタ電池の電池式は次のように表すことができる。

\[ \mathrm{(-)Zn|H_{2}SO_{4}aq|Cu(+)} \]


ボルタ電池の仕組み

●STEP1
イオン化傾向の大きい金属板が溶ける。
●STEP2
STEP1で発生した電子eがもう片方の金属板の方へ流れる。
●STEP3
流れてきたeが(溶液中の)イオン化傾向の小さい陽イオンとくっつく。

STEP
イオン化傾向の大きい金属板が溶ける。

まずは、イオン化傾向の大きい金属板が溶ける。
ボルタ電池に使われている金属板はCuとZnであり、これらのうちイオン化傾向がより高いのはZnである。したがって、Zn板が溶け出す。
また、ZnがZn2+という陽イオンになったので、電子eが発生していることも確認しておこう。

STEP
STEP1で発生した電子eがもう片方の金属板の方へ流れる。

STEP1で発生したeがCu板側に伝わる。
このとき、eが通過することで(電流が発生して)豆電球が点灯していることに注目しよう。

STEP
流れてきたeが(溶液中の)イオン化傾向の小さい陽イオンとくっつく。

Cu板に流れてきたeは、希H2SO4中に存在しているHとくっつく。(=気体のH2発生)


各極の反応

  • ボルタ電池の負極・正極での反応をそれぞれまとめる。

負極

  • ボルタ電池の負極では、Zn板が溶け出してZn2+とeが発生する。

\[ \mathrm{Zn→Zn^{2+}+2e^{-}} \]

正極

  • ボルタ電池の正極では、H2SO4中に存在しているHがeを受け取ることでH2が発生する。

\[ \mathrm{2H^{+}+2e^{-}→H_{2}} \]


ボルタ電池の問題点

  • ボルタ電池では、正極で気体の水素H2を発生する。
  • ボルタ電池を使い続けるとこのH2がCu板の周りに溜まってくる。
  • 溜まったH2は、水溶液中のHが負極からやってきたeを受け取るのを妨害してしまう。
  • その結果、電子の受け渡しに不具合が生じ、電圧が急激に低下する分極とよばれる現象が起こる。
  • 分極を防ぐためには、過酸化水素H2O2などの減極剤を溶液に加える必要がある。

ボルタ電池まとめ

この『ボルタ電池(仕組み・各極の反応・分極の理由など)』のページで解説した内容をまとめる。

  • 亜鉛Zn板と銅Cu板を希硫酸H2SO4に浸してできる電池をボルタ電池という。
  • ボルタ電池の電池式は次のように表される。

\[ \mathrm{(-)Zn|H_{2}SO_{4}aq|Cu(+)} \]

  • ボルタ電池の負極では、Zn板が溶け出してZn2+とeが発生する。

\[ \mathrm{Zn→Zn^{2+}+2e^{-}} \]

  • ボルタ電池の正極では、H2SO4中に存在しているHがeを受け取ることでH2が発生する。

\[ \mathrm{2H^{+}+2e^{-}→H_{2} }\]


演習問題

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問1

ボルタ電池の負極は【1】板、正極は【2】板である。

解答/解説:タップで表示

解答:【1】亜鉛Zn【2】銅Cu

ボルタ電池の負極は亜鉛Zn板、正極は銅Cu板である。

問2

ボルタ電池の電池式は次の通りである。
(ー)Zn|【1】|Cu(+)

解答/解説:タップで表示

解答:【1】H2SO4

亜鉛Zn板と銅Cu板を希硫酸H2SO4に浸してできる電池をボルタ電池という。

これを踏まえて、ボルタ電池の電池式は次のように表すことができる。

\[ \mathrm{(-)Zn|H_{2}SO_{4}aq|Cu(+)} \]

問3

ボルタ電池では、まずイオン化傾向のより【1(大き or 小さ)】い亜鉛板が溶け出し【2】となる。このとき放出された【3】は銅板側に伝わる。銅板側で【3】を希H2SO4中の【4】が受け取り【5】が発生する。

解答/解説:タップで表示

解答:【1】大き【2】亜鉛イオンZn2+【3】電子e【4】水素イオンH+【5】水素H2

ボルタ電池では、まずイオン化傾向のより大きい亜鉛板が溶け出し亜鉛イオンZn2+となる。このとき放出された電子eは銅板側に伝わる。銅板側でeを希H2SO4中の水素イオンHが受け取り水素H2が発生する。

問4

ボルタ電池の負極で起こる変化を電子eを用いた反応式で表せ。

解答/解説:タップで表示

解答:Zn → Zn2+ + 2e

ボルタ電池の負極では、Zn板が溶け出してZn2+とeが発生する。

\[ \mathrm{Zn→Zn^{2+}+2e^{-}} \]

問5

ボルタ電池の正極で起こる変化を電子eを用いた反応式で表せ。

解答/解説:タップで表示

解答:2H+ + 2e → H2

ボルタ電池の正極では、H2SO4中に存在しているHがeを受け取ることでH2が発生する。

\[ \mathrm{2H^{+}+2e^{-}→H_{2}} \]

問6

ボルタ電池では【1】が原因となり、時間が経つと起電力が低下する。

解答/解説:タップで表示

解答:【1】分極

ボルタ電池では分極が原因となり、時間が経つと起電力が低下する。

問7

ボルタ電池の分極を防ぐためには、H2O2などの【1】を溶液に加える必要がある。

解答/解説:タップで表示

解答:【1】減極剤

ボルタ電池の分極を防ぐためには、H2O2などの減極剤を溶液に加える必要がある。

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著者情報

元講師、薬剤師、イラストレーター
数百名の中高生向け指導経験あり(過去生徒合格実績:東工大・東北大・筑波大・千葉大・岡山大・早稲田大・慶應義塾大・東京理科大・上智大・明治大など)。
2014年よりwebメディア『化学のグルメ』を運営
公式オンラインストアで販売中の理論化学ドリルシリーズ・有機化学ドリル等を執筆
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