化学電池の仕組み？

質問

化学電池について勉強しています。

硫酸・銅板・亜鉛版の組み合わせだと、
イオンになり易い、亜鉛版の方がマイナス極になるとのことです。

■これは、、言い換えると、「硫酸に溶ける方だ」と、解釈してもよいのでしょうか？
（そもそも、イオン化というのは、特にこの化学電池の例に関して言えば、”溶ける”ことと同じ意味と考えてしまってもよいものでしょうか？　　・・・　イオン化という言葉のイメージがわきませんので、今のところ、「溶けるようなものだろう」と解釈しているのですが・・・）

■また、イオン化傾向が異なる（異なる種類の）金属と、　電解質水溶液を使うのならば、何を使っても　化学電池　として機能するのでしょうか？

たとえば、アルミニウムと亜鉛を使って、
水溶液は　硫酸　を使って、、、とやると、
アルミも、亜鉛も、両方とも溶けてしまうので、使い物にならないのでは、と考えました。　・・・　これは、いかがでしょうか？

■最後に、炭素棒についての質問です。
炭素棒は金属ではありません。
しかも、どうやら「イオン化傾向」なるものは、ものすごく引くそうです。　この「炭素」という物質は、この化学電池の話においては、どうとらえたらよいのでしょうか？

「炭素」は溶けにくい・・・。そんな風な解釈もいけるのでしょうか？
炭素は、ものすごく「安定」しているイメージがあります。
イオン化は、そういう意味では、ものすごくしにくいようなイメージ・・・があります。

・・・いかがなものでしょうか。
誤りもたくさんあるとは思いますが、教えていただけると助かります。

よろしくお願いいたします！

回答No.1

noname#160321 · ベストアンサー

>「硫酸に溶ける方だ」
溶けない金属と溶ける金属があれば、溶ける金属が水素よりイオン化傾向が大きいので溶ける金属は陽イオン化し、電子を供給する=負極になる。陽極では水が電子を受け取り水酸化物イオンと水素ガスになります。
>アルミニウムと亜鉛を使って、水溶液は　硫酸　を使って、、、とやると、アルミも、亜鉛も、両方とも溶けてしまう
最後には両方とも溶けてしまいますが、その前にイオン化傾向の大きい方が陰極として働く電池となります。陰極が溶けきった所で陽極が溶け始めます。
>イオン化は、そういう意味では、ものすごくしにくいようなイメージ・・・があります。
その通り、炭素棒は電子を通すだけ、変化しません。
最初に書いたように水から水素が発生するのに炭素が反応する必要はありません。

お礼

溶ける」という現象は、自分が知っていたよりも、もっと深いものなのである（かもしれない）ということが、わかりました。

同じく溶けるにもかかわらず、イオン化傾向によって、そこに「順番」のようなものができるんですね・・・。

それぞれの質問に答えていただいて、どうもありがとうございました！

回答No.2

htms42

「イオン化傾向の異なる２つの金属と電解質溶液で電池が出来る」
確かに電流が流れます。でもこれが電池の仕組みではありません。
電極は反応の起こる場を提供しています。当然電気を通す物質でできていなければいけません。そういうことで言えば電極は面状に広がった電線です。電線は銅です。電極が金属であるというの電線だからです。炭素を使うのも電気伝導性があるからです。
金属は条件次第では反応します。
電池の仕組みについての混乱は反応の場を提供している電極物質が反応物質にもなっていることがあるということが充分に認識されていないからです。だから電線でしかない炭素の役割について考え込んでしまうということが起こってしまいます。

高等学校では電池・電気分解は全て酸化・還元反応の例として出てきます。
私は化学電池を
「酸化・還元反応に伴って起こる電子の移動を外部回路に取り出して利用する装置」
であると定義しています。
どういう酸化・還元反応が起こっているのかが電池の仕組みの柱です。
外部回路を通って電子が移動するためには直接反応を禁止しなければいけません。この対策が取られていなければ効率が悪い電池という事になります。隔壁を入れるというのはそのための処置です。完全にさえぎることは出来ませんのでいくらかはロスが生じます。電池の自己放電というのはこれのことです。
イオン化傾向はある種の酸化還元反応について、反応が起こるか起こらないかの判断材料になるものです。
でも酸化・還元反応のごく一部についてです。

亜鉛が硫酸に溶ける反応は酸化・還元反応です。
Ｚｎ＋Ｈ２ＳＯ４→ＺｎＳＯ４＋Ｈ２

Ｚｎ→、Ｚｎ^(2+)＋２ｅ^(-)
２Ｈ^(+)＋２ｅ^(-)→Ｈ２
この２つの反応を別々のところで起こるようにすれば電池になります。直接反応を禁止するためには亜鉛と硫酸が接触しないようにすればいいです。隔壁を取り付け、食塩水を入れると可能です。
亜鉛は電極と反応物質を兼ねています。水素の発生する方の電極は「硫酸と反応しない」、「電気が流れる」ということ以外の条件はありません。炭素でも構いません。もし水素が発生するという反応以外の反応が起これば異なる電池であるという事になります。
電極物質が共通であれば同じ電池であるのではありません。同じ酸化・還元反応が起これば同じ電池だということになります。

硫酸銅水溶液に亜鉛板を入れると亜鉛板の表面に銅が析出するという反応を２つに分離すればダニエル電池です。

炭素を両方の電極に使って電池を作ることも可能です。２つの水溶液Ａ，Ｂが酸化・還元反応を起こすというくみ合わせになっていればいいのです。
Ａに過マンガン酸カリウムの希硫酸溶液、Ｂにヨウ素カリウム水溶液を使えば電池になります。隔壁が必要です。

鉄と鉄の化合物の組み合わせで電池を作ることも可能です。
炭素（Ｃ）｜ＦｅＣｌ３水溶液：食塩水｜鉄（Ｆｅ）
：は隔壁です。
起こっている反応は　Ｆｅ＋２ＦｅＣｌ３→３ＦｅＣｌ２　です。
（私は電気回路実習用のエッチング液を使っていました。主成分はＦｅＣｌ３です。）

さすがに高等学校の教科書では一番初めに書いたような定義を書くことはなくなりました。でも中学校では使っているかもしれませんね。「楽しい理科」や「市民のための科学」のような催し物では相変わらず使われているようです。

お礼

隔壁の話や、鉄を使ってつくる電池の話をしていただき、どうもありがとうございました！
なかなか難しい話でしたが、もう少し勉強していけたらと思います。

「電極は反応の起こる場を提供している」　・・・　これも、なかなかすぐには理解できませんが、なんとなく伝わってきました・・・。
というか、それがすぐに判るようにならないと、今の自分の問題解決も難しそうですので、もう少し勉強してみます。

どうも、ご回答ありがとうございました！