中3化学【電池の仕組み】

このページでは「化学電池やボルタ電池のしくみ」「イオン化傾向とは?」について解説しています。

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中3化学【電池の仕組みを見てみよう】

 

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1.イオン化傾向

■イオン化傾向

どの金属がどれだけ(陽)イオンになりやすいかという順番。

※金属は陰イオンにはなりません。陽イオンになります。

 

 

↓の金属について覚えておきましょう。(※水素は金属ではないですが覚えておいてください。)

 

左にあるものほど(陽)イオンになりやすく、電子を失いやすい

右にあるものほど(陽)イオンになりにくく、電子を失いにくい

(金属は陰イオンにはなりません)

 

 

言い換えると

左にあるもの・・・イオンになりたい、イオンのままでいたい

右にあるもの・・・イオンになりたくない、原子のままでいたい

※ですので左にある金属ほど他の物質と反応しやすいということでもあります。

 

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2.電池とその仕組み

■電池(化学電池)

化学変化によって電流を取り出す装置。

物質の持つ化学エネルギー電気エネルギーに変えている。

 

電池をつくるために必要なもの

①電解質水溶液が必要

塩酸や硫酸、食塩水、柑橘系の果物(レモン・オレンジなど)などの電気を通す水溶液です。

砂糖水・エタノールは非電解質の水溶液なのでダメです。

 

 

②異なる2枚の金属板が必要

電池の+極、-極になるための金属板です。

イオン化傾向の異なる金属である必要があります。

※同じ金属では電気を取り出せない。

 

電池のしくみ

電解質水溶液と2枚の異なる金属板を↓の図のようにセットしましょう。

これで電池の完成です。すごく単純な構造です。

 

ここに導線で豆電球をつないでやると豆電球は光ります。

はじめにこの電池をつくったのはボルタという学者さんです。

 

ボルタさんは

・電解質水溶液に硫酸(または塩酸)

・異なる2枚の金属板に亜鉛と銅

を使用して電池をつくりました。(↓の図)

 

ここからどのようにして電流が取り出せるか見てみましょう。

 

亜鉛板と銅板が導線でつながっています。

亜鉛と銅のイオン化傾向のちがいを考えます。

イオン化傾向を比べると亜鉛板の方が大きい

 

つまり

亜鉛板・・・(陽)イオンになりたい

銅板・・・・(陽)イオンにはなりたくない

という差が生じているのです。(↓の図)

そこで亜鉛板の中の亜鉛原子Znが亜鉛イオンZn2+になろうとします。

そのため亜鉛原子Znが電子を失って、亜鉛イオンZn2+になります。(↓の図)

 

 

式で書くと

Zn → Zn2+ + 2e  ※eは電子のこと。

 

このように亜鉛板の亜鉛原子は亜鉛イオンへと変化して液中に移動します。

観察していると、亜鉛板がどんどん液中に溶けだし、ぼろぼろになっていきます。

 

POINT!!

亜鉛板では・・・

亜鉛原子が電子を失って、亜鉛イオンになる。

 

亜鉛原子が失った電子は導線を通って銅板に移動します。(↓の図)

銅板にはどんどん電子がたまります。

そのため、だれかに電子を持っていってもらわなければなりません。

 

そこで水素イオンHの出番です。

先ほどのイオン化傾向を見ると水素は右の方にあります。(↓右から3番目)

つまり水素イオンは、イオンのままではいたくない=原子にもどりたいのです。

 

よって水素イオンは、銅板にたまった電子を得て水素原子へと戻ります。(↓の図)

式で書くと

2H+ 2e– → H2  ※eは電子のこと。

 

よって銅板からは水素の気体が発生します。(↓の図)

実際には、水素の泡が銅板にたくさん付着します。

ボルタ電池のしくみのまとめ

これまでの説明をもう一度図にまとめます。(↓の図)

・亜鉛板・・・亜鉛原子が電子を失う。亜鉛板はぼろぼろに。

・銅板・・・・水素原子が電子を得る水素の気体発生。

 

ここで、中2の電流回路の単元で

電子の流れと電流の向きは反対

と学習したことを思い出して下さい。

 

この装置に流れる電流は↓のようになります。

つまり

亜鉛板 → -極(負極)

銅板  → +極(正極)

となっているのです。

 

その他、ボルタ電池で覚えておきたいこと

■ボルタ電池の弱点

銅板の表面が水素の泡でおおわれてしまうと銅板で電子の受け渡しができなくなる。

つまり電流が流れなくなる。

このように気体が電極をおおって電子の受け渡しをさまたげることを分極という。

分極を防ぐためには過酸化水素水が用いられる。

 

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3.イオン化傾向と電池

■起電力

電池から取り出せる電圧のこと。

 

■起電力を大きくするには

イオン化傾向の差が大きい金属を組み合わせる

「鉄と亜鉛の組み合わせ」より「マグネシウムと鉄の組み合わせ」の方が起電力は大。

 

■イオン化傾向の違い

イオン化傾向が大きい方の金属 → その金属が電子を失い陽イオンになる。-極になる。

イオン化傾向が小さい方の金属 → 液中の陽イオンが電子を得る+極になる。

コメント

    • さすまた様

      コメントありがとうございます。
      理解してもらえたなら何よりです。

  1. god

    • 平民様
      コメントありがとうございます。
      理解してもらえたようなら幸いです。
      またよければご覧ください。

  2. 電解液において酸性の強さは電力を変化させますか?

    • シャル様
      コメントありがとうございます。
      電池の起電力は電極となる金属のイオン化傾向の差によって決まります。
      酸性の強さは関係ありません。

  3. […] →【電池のしくみ】← […]

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ScienceTeacher
小中高生に数・理を教えている関西の現役塾講師です。
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