【化学】ダニエル電池とは？

概要

化学変化によって、物質が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変える装置を電池または化学電池といいます。

1800年にアレッサンドロ・ボルタが発明したボルタ電池自体は画期的な電池でしたが、正極に水素の気泡が発生するために、時間の経過とともに起電力きでんりょくが急激に低下する分極という問題がありました。

そこで、1836年にイギリスの学者ジョン・フレデリック・ダニエルが、ボルタ電池で見られた欠点を解決した「ダニエル電池」を発明します。

仕組み

水溶液の中央は素焼き板で仕切られています。素焼き板以外ではセロハン膜を使用することもできます。仕切った両側では次のようになっています。

亜鉛板と銅板では、亜鉛板の方がイオン化傾向が大きいので、この組み合わせの場合は亜鉛板の方が溶け出します(つまりイオンになります)。イオン化傾向については以下の表で確認してください。

負極側

硫酸亜鉛 … 水溶液中で亜鉛イオンと硫酸イオンに電離する
　　　　　　ＺｎＳＯ_４ → Ｚｎ^２＋ ＋ ＳＯ_４^２－

亜 鉛 板 … 硫酸亜鉛水溶液【ＺｎＳＯ_４＋Ｈ_２Ｏ】に浸されている
　　　　　　亜鉛イオンになって水溶液中に溶け出す → 電子が正極に移動
　　　　　　Ｚｎ → Ｚｎ^２＋ ＋ ２ｅ^ー

正極側

硫 酸 銅 … 水溶液中で銅イオンと硫酸イオンに電離する
　　　　　　ＣｕＳＯ_４ → Ｃｕ^２＋ ＋ ＳＯ_４^２－

銅　　板 … 硫酸銅水溶液【ＣｕＳＯ_４＋Ｈ_２Ｏ】に浸されている
　　　　　　銅自体には変化は起こらない
　　　　　　→ 負極から来た２個の電子を水溶液中に存在する銅イオンが受け取る
　　　　　　Ｃｕ^２＋ ＋ ２ｅ^ー → Ｃｕ

負極から正極へ

負極側(亜鉛板)から正極側(銅板)に電子が移動する　(電流は正極から負極)

以上のことからそれぞれの水溶液の濃度は次のようにします。

負極側(硫酸亜鉛水溶液) … 亜鉛イオンが増えるので、あらかじめ濃度を低くしておく
正極側(硫酸銅水溶液)　 … 銅イオンを消費するので、濃度を高くしておく

素焼き板の役割

素焼き板を使って仕切りをつくります。素焼き板には非常に細かな穴がついています。この穴をイオンが通ることができます。

上のイラストを見ると分かるように、電子が流れ続けると、負極側の硫酸亜鉛水溶液では、陽イオンの亜鉛イオンがどんどん増えていきます。また正極側の硫酸銅水溶液では、陽イオンの銅イオンがどんどん減っていきます。

負極側(硫酸亜鉛水溶液) … 亜鉛イオン増加 → 陽イオンが増えて、全体として＋になる
正極側(硫酸銅水溶液)　 … 銅イオン減少 → 陽イオンが減って、全体としてーになる

このままだと、正極側ではーにかたよってしまいます。そうすると、負極からやって来る電子もーの電気を持っているので、お互いがーなって、しりぞけ合ってしまいます。そうすると、電池の起電力が低下してしまいます。それを避けるために素焼き板を介して次のようにバランスを保とうとします。

素焼き板の穴を通して以下のようにイオンが移動します。

負極側 … ＋にかたよっているから → 正極側から陰イオンの硫酸イオンが移動
正極側 … ーにかたよっているから → 負極側から陽イオンの亜鉛イオンが移動

こうして、全体として水溶液を中性に保つことができます。ちなみに素焼き板以外にも細かい穴があるセロハン膜などを使うこともできます。

ボルタ電池との違い

ボルタ電池の仕組み

ダニエル電池と同じように亜鉛板と銅板を使います。それで、ダニエル電池と同じように、イオン化傾向の違いによって、亜鉛板の方では２価の陽イオンの亜鉛イオンが溶け出て、電子が銅板に向かいます。

ボルタ電池とダニエル電池の大きな違いは水溶液です。イラストの例だと塩酸(塩化水素の水溶液)を使っています。塩酸は水素イオンと塩化物イオンに電離しています。
ＨＣｌ → Ｈ^＋ ＋ Ｃｌ^－
このうち水素イオンが銅板にやって来た電子を受け取ります。

このとき、電子が流れるほど銅板では水素分子が発生します。この水素分子が銅板の表面に溜まっていきます。そうすると他の水素イオンが近づけなくなってしまいます。

結果として、ある程度時間が経つと電子が流れにくくなってしまいます。この現象を「分極」といいます。

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ダニエル電池の仕組み

ボルタ電池と同じように亜鉛板と銅板を使います。それで、ボルタ電池と同じように、イオン化傾向の違いによって、亜鉛板の方では２価の陽イオンの亜鉛イオンが溶け出て、電子が銅板に向かいます。

ボルタ電池とダニエル電池の大きな違いは水溶液です。イラストの例だと硫酸亜鉛水溶液と硫酸銅水溶液の２種類を使っています。それぞれ電離してイオンとなっています。このうち硫酸銅水溶液側の銅イオンが電子を受け取ります。

このとき、電子が流れれば流れるほど銅板では銅原子が析出(せきしゅつつまり生成)されます。銅板の表面に銅が析出されるので、銅板にどんどん大きくなります。増えた分も金属(銅)なので、他の銅イオンが近づいたとしても析出された銅を伝って電子を引き渡すことができます。

結果として、ボルタ電池よりも継続して電子が流れやすくなります。

まとめ

ボルタ電池 …… 負極からやって来る電子を水素イオンが受け取る
　　　　　　　　正極では水素分子が取り巻くようになると、水素イオンが近づけなくなる
　　　　　　　　⇒ 分極が生じる

ダニエル電池 … 負極からやって来る電子を銅イオンが受け取る
　　　　　　　　正極では銅分子が析出され、銅板の質量が増加する
　　　　　　　　水溶液中の銅イオンがある限り、さらに多くの銅イオンが近づける
　　　　　　　　⇒ 分極が生じない