ダニエル電池について、基本的な質問

質問

電池について興味があり、最近勉強しています。
化学が不得意なので大変基本的なことから教えてください。

ダニエル電池について、
(1)そもそも負極のZnがZnSO4(aq)に溶け出すのは何故でしょうか。
(2)反応の進行に伴い、Zn2+は素焼き容器を透過し陽極側へ、
　 陽極側のSO4+が陰極側へ移動しますが、これらは移動後、
　 どのような反応が起きるのでしょうか。

回答No.1

Saturn5 · ベストアンサー

(1)ＺｎをＺｎＳＯ４ ａｑに入れただけでは亜鉛は溶けません。
　負極の銅板と結ばれることによって、両者のイオン反応の
結果として亜鉛が溶けるのです。
（－）Ｚｎ　→　Ｚｎ２＋ ＋ ２ｅ－
（＋）Ｃｕ２＋　＋ ２ｅ－　→　Ｃｕ
亜鉛がイオンになって、銅イオンが単体になった方がエネルギー的に
有利（イオン化傾向を考えて）なのでそうなるだけです。途中の
導線を遮断すれば両極の反応は止まります。

(2)基本的に動くのはＳＯ４２－です。
これはイオンが動くだけで何もしません。
陰極ではＺｎ２＋が増え、陽極ではＣｕ２＋が減ります。
そのため、イオンバランスが悪くなるのでＳＯ４２－が
陽極から陰極に動くと都合がいいのです。また、それを
通すための素焼き板です。
素焼き板の代わりにＫＣｌを含んだブリッジを使うこともあります
が、そのときも陽極でＣｌ－が溶け出し、陰極でＫ＋が溶け出す
ことによって水中のイオンバランスを保ちます。

お礼

ご回答いただきありがとうございます。

ご回答の内容について質問させてください。
的外れな質問になるかもしれませんが、ご了承ください。

＞(1)ＺｎをＺｎＳＯ４ ａｑに入れただけでは亜鉛は溶けません。
＞　負極の銅板と結ばれることによって、両者のイオン反応の
＞結果として亜鉛が溶けるのです。

Zn板とCu板が結ばれた瞬間起こる現象（現象の順番）として、
正しいのは、以下の(a)(b)のいずれでしょうか。
あるいはまた別の現象でしょうか。

(a)Zn板からCu板への電子の移動が起こり、結果として電子を失ったZn2+が
　　溶液中へ溶け出す。
　　※この場合、溶液に浸していない単体のZn板、Cu板を結んでも
　　 電子の移動が起こるということになってしまうのでしょうか。

(b)Zn板よりZn2+が溶け出し、結果として余った電子がCu板へ移動する。
　　※この場合、Zn2+が溶け出すのは何によるものでしょうか。
　　　ZnSO4のZn2+が存在するにもかかわらず、
　　　Zn2+がZn板より溶け出すとZn2+が過剰な状態になりますが、
　　　受け取り手が居なくても溶け出すということでしょうか。

回答No.4

htms42

＃３様に質問です。
＞実際に教科書通りにダニエル電池を組み立てても最初の１分くらいはほとんど
電流は流れません。Ｚｎ板の方に希硫酸を少し入れると電流が流れるように
なります。

１分間程流れないというのは長いですね。
これは装置を組んだ一番最初のことでしょうか。
素焼きの筒（私はうわぐすりのかかっていない植木鉢を使いました）でやる場合、一番最初は流れません。内部にしみこむまで待たなくてはいません。２回目からは回路を接続すると直ちに流れ始めます。硫酸を加えるということはやっていません。いつもソーラーモーターを回しています。

教室では紙封筒を使ってやります。封筒にしみこむまでは流れないというのも見せています。
イオンのバランスが必要であるということが理解できます。

回答No.3

Saturn5

＞Zn板とCu板が結ばれた瞬間起こる現象（現象の順番）として、
正しいのは、以下の(a)(b)のいずれでしょうか。
あるいはまた別の現象でしょうか。

まず、Ｚｎが放出した電子が導線を通ってＣｕ板に行き、その電子を
Ｃｕ２＋が受け取るというのはあくまで便宜的な説明です。
導線の中に電子はたくさんあり、Ｚｎが電子を出せば導線中の電子が
押し出されてＣｕ板に移動するのです。
いわば、うちわであおいだらその風が顔まで来て涼しいというのでは
ないのです。両手で握ったハンドルを回すような感じであり、どちらかが
動くと必ず両方が動きます。酸化・還元反応で片方が起こって、電子が
移動して次に反応がおこるというものではないのです。ただ、Ｍｎ等の
ような電子を貯蔵できる（酸化数の変化が大きい）触媒を使えば、
酸化と還元を交互に繰り返すような反応も可能です。

上記のように、反応は両極の同時におこあると書きましたが、反応を
進める要因はＺｎが溶ける方が大きいです。ハンドルをまわすときにも
利き手があるのと同じような感じです。
酸化還元反応のおきやすさを示す指標に標準電極電位があります。
Ｚｎは－０．７６Ｖ　Ｃｕは＋０．３４Ｖです。
ですからダニエル電池の起電力が約１．１Ｖになるのです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%A8%99%E6%BA%96%E9%9B%BB%E6%A5%B5%E9%9B%BB%E4%BD%8D

実際に教科書通りにダニエル電池を組み立てても最初の１分くらいはほとんど
電流は流れません。Ｚｎ板の方に希硫酸を少し入れると電流が流れるように
なります。これはいわば、車のセルモーターのような役割をするもので、
最初にちょっと電位差をつけてやらないと電流が流れないのでしょう。

お礼

再びのご回答ありがとうございます。
何らかのきっかけが無ければ反応が始まりにくいのですね。

さて、誠に恐縮ですが追加で質問させてください。

ご回答の中に、標準電極電位について参考のURLをいただきました。
この中で「平衡状態となっているときの電極電位」という記述がありました。
この平衡状態となる理由がわかりませんでした。

平衡状態になるということは、
溶液に浸した金属のイオン化があるところで止まること
だと思いますが、どのような状態になったところでとまるのでしょうか。

度々の質問、大変ご迷惑かと思いますが、
この質問ページの最後の質問にしますので
ご回答いただけませんでしょうか。

回答No.2

remonpakira

すでに良い回答がでているので補足的に

イオン化傾向と酸化還元反応は理解できていますか？

電池は、イオン化傾向と酸化還元反応の応用ですので

イオン化傾向と酸化還元反応がわからないと理解できません。

亜鉛:イオン化傾向高い=イオン化しやすい
銅:イオン化傾向低い=イオン化しにくい

(相対的なものですが)
なので亜鉛板の亜鉛は電子を離して亜鉛イオンに(酸化)

溶液中の銅イオンは電子を受け取って銅になります(還元)

お礼

ご回答ありがとうございます。

No.1さんへのお礼を書きながら思ったのですが、
No.2さんの仰せのとおり、イオン化傾向への理解が
私自身足りないです。

高校生のときに、「貸そうかな～」で覚えた記憶がありますが、
本質的なことは理解できていないようです。

もう一度教科書を読み返してみます。

ご回答ありがとうございました。