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演習「ダニエル電池」

約 4 分

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問題演習

「ダニエル電池」でやったことについて、問題演習をすることにしよう。

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問題

(1)両極での反応を、eを含むイオン反応式で書け。
(2)素焼き板の役割を2つ挙げなさい。
(3)反応を起こすと、SO42-は何極から何極へ移動するか。
(4)ダニエル電池でより大きな起電力を得るためには、初期のZnSO4、CuSO4濃度をそれぞれどうしておくべきか。

解答

(1)正極:Cu2++2e→Cu
   負極:Zn→Zn2++2e
(2)
・2つの電解液(ZnSO4とCuSO4)を混ぜない。
・2つの電解液の電荷のバランスを調節する。

(3)正極から負極
(4)
・ZnSO4の初期濃度を小さくしておく。
・CuSO4の初期濃度を大きくしておく。

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解説

(1)〜(4)すべて「ダニエル電池」で扱ったことだね。できなかったらよく見直しておこう。

(1)

正極:Cu2++2e→Cu
負極:Zn→Zn2++2e

まずは、イオン化傾向の高いZn板が溶け出す。
これが負極の反応式だね。
次に、Cu板へと伝わってきたeをCuSO4中のCu2+が受け取って銅が析出する。

(2)

素焼き板の役割は2つあるんだったね。
1つは、正極側のCuSO4と負極側のZnSO4を隔てる役割。
もう1つは、イオンを透過させるという特性を生かし、電荷のかたよりを減少させてバランスを保つ役割。

2つ目について少し詳しく。

ダニエル電池の両極での反応が進んでいくと、負極ではZn2+が増加し、正極ではCu2+が減少する。
このとき、負極は(プラスのイオンであるZn2+が増えたので)プラス電荷にかたよっており、正極は(プラスのイオンであるCu2+がいなくなったので)マイナス電荷にかたよっている。
そこで、負極のZn2+は素焼き板を介して正極へと移動し、電荷のバランスを調節するんだ。

また、SO42-もイオンなので移動することが出来る。
負極でZn2+が増えることにより、プラスに電荷がかたよってしまっているので、SO42-が正極から負極へと移動をし、このかたよりを軽減している。

(3)

(2)で説明したように、SO42-は正極から負極に移動する。

(4)

ダニエル電池でより大きな起電力を得るためには、初期のZnSO4を小さく、CuSO4濃度を大きくしておく必要があったね。

前者の理由は、電池の反応が進行するにつれてZn2+の濃度が大きくなってきてしまうから。
Zn2+の濃度が大きくなりすぎるとZn板からZn2+が溶けづらくなってしまう。
これを避けるために、最初のZn2+濃度は出来るだけ小さくしておく。

後者の理由は、eを受け取るCu2+が多い方が、より長時間eを受け取り続けることができるからだ。

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