２００４年６月２４日（木）　04ko2-11　電池

今日は，実用電池について学びましょう。電池の歴史は古く，イラクの首都バクダッドの郊外の古代都市の遺跡で発見されたものが最も古い電池と考えられています。この電池は，小さな粘土製の壺の内側に，うすい銅の筒がはめ込まれており，中央に鉄の棒が入っています。つまり，鉄と銅の電池ですね。電解質として，何を使ったのでしょうか。 　１７８０年，イタリアのガルバーニという生物学者は，カエルを鉄柵にぶら下げ，その脚にしんちゅうの針金を引っかけておくと，鉄としんちゅうが触れたときにカエルの脚がけいれんすることを発見しました。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　ガルバーニのカエルの実験にヒントを得て電池をつくったのが，イタリアの物理学者のボルタです。電圧の単位「ボルト」は，彼の名前をとったものです。ボルタは，１８００年，銅と亜鉛，塩化ナトリウム水溶液を使った電池をつくりました。 　ボルタの電池は，豆電球などを連結して使用すると，はじめは明るく点灯しますが，すぐに暗くなり消えてしまうことです。この原因は，銅板に水素の気泡がつき，電流が流れにくくなるとともに，水素分子が水素イオンになる逆反応が起こるためであると考えられています。 　このボルタの電池を改良したのがダニエルです。日本では，昭和３０年頃まで電信用にダニエル電池が使われていたそうです。 　今日の勉強の内容は，次の通りです。 （１）ダニエル電池 （２）マンガン乾電池 （３）鉛蓄電池 （４）燃料電池

８　電池 （１）　ダニエル電池 　　　　１８３６年　ダニエル（イギリス） 　　　　負極　Ｚｎ｜ＺｎＳＯ４aq｜ＣｕＳＯ４aq｜Ｃｕ　正極 　　　　Ｚｎ　→　Ｚｎ２＋　＋　２ｅ−　Ｚｎ原子は酸化された 　　　　Ｃｕ２＋　＋　２ｅ−　→　Ｃｕ　　Ｃｕ原子は還元された 　　　　Ｚｎ　＋　Ｃｕ２＋　→　Ｚｎ２＋　＋　Ｃｕ

電池では，負に帯電する電極を負極，正に帯電する電極を正極といいます。一般に，イオン化傾向の大きい金属が負極，そうでない金属や酸化物が正極となります。 　乾電池は，１８６８年に考え出されたルクランシェ電池がもとになっています。ルクランシェ電池は，負極に亜鉛，正極に酸化マンガン（ＩＶ），電解質に塩化アンモニウムが使われています。 　１８８６年，ドイツのガスナーは，電解液を石膏で固め，持ち歩いてもこぼれないように工夫しました。この工夫により，電池がより広まることになったのです。ガスナーが乾電池を発明した頃，日本でも屋井先蔵という発明家によって乾電池が考案されています。

（２）　マンガン乾電池 　　　　負極　Ｚｎ｜ＮＨ４Ｃｌaq，ＺｎＣｌ２aq｜ＭｎＯ２，Ｃ　正極 　　　　Ｚｎ　→　Ｚｎ２＋　＋　２ｅ−　Ｚｎ原子は酸化された 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 生成物はｐＨによって変化 　　　　ＭｎＯ２　＋　４Ｈ＋　＋　２ｅ−　→　Ｍｎ２＋　＋　２Ｈ２Ｏ　Ｍｎ原子は還元された（ｐＨ０．５〜６）

電池から電荷を取り出すことを放電といい，放電した電池に放電と逆の向きに電流を外部から流し，電極で放電と逆の反応をおこす操作を充電といいます。 　ボルタ電池やマンガン乾電池は，充電することができません。このような電池を一次電池といいます。それに対して，充電により繰り返し使用できる電池を二次電池または蓄電池といいます。 　蓄電池の中でよく知られており，また現在でもよく使われているものが鉛蓄電池です。鉛蓄電池は1860年にプランテにより発明されています。

（３）　鉛蓄電池 　　　　負極　Ｐｂ｜Ｈ２ＳＯ４aq｜ＰｂＯ２　正極 　　＜放電＞ 　　　　Ｐｂ　→　Ｐｂ２＋　＋　２ｅ−　Ｐｂ原子は酸化された 　　　　Ｐｂ２＋　＋　ＳＯ４２−　→　ＰｂＳＯ４（白色，Ｐｂ表面に付着） 　　　　ＰｂＯ２　＋　４Ｈ＋　＋　２ｅ−　→　Ｐｂ２＋　＋　２Ｈ２Ｏ　Ｐｂ原子は還元された 　　　　Ｐｂ２＋　＋　ＳＯ４２−　→　ＰｂＳＯ４（白色，ＰｂＯ２表面に付着） 　　　　負極：Ｐｂ　＋　ＳＯ４２−　→　ＰｂＳＯ４　＋　２ｅ− 　　　　正極：ＰｂＯ２　＋　４Ｈ＋　＋　ＳＯ４２−　＋　２ｅ−　→　ＰｂＳＯ４　＋　２Ｈ２Ｏ 　　＜充電＞ 　　　　負極：ＰｂＳＯ４　＋　２ｅ−　→　Ｐｂ　＋　ＳＯ４２− 　　　　正極：ＰｂＳＯ４　＋　２Ｈ２Ｏ　→　ＰｂＯ２　＋　４Ｈ＋　＋　ＳＯ４２−　＋　２ｅ− 　　＜鉛蓄電池の化学変化＞ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 放電 　　　　Ｐｂ　＋　ＰｂＯ２　＋　２Ｈ２ＳＯ４　⇔　２ＰｂＳＯ４　＋　２Ｈ２Ｏ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 充電

自動車のボンネットを開けると，バッテリーが見えることを知っていますか。あれが鉛蓄電池です。車には発電機も備えています。エンジンが回転しているときは，発電機により充電しているのですね。ライトをつけたままエンジンを止めると，放電のみになり，バッテリーの電圧が下がってしまうのです。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　アメリカの宇宙開発で使用され，最近注目を浴びている電池が燃料電池です。燃料電池は，どのようなしくみになっているのでしょうか。

（４）　燃料電池 　　 　 リン酸型 　　　　負極　Ｈ２｜Ｈ３ＰＯ４aq｜Ｏ２　正極 　　　　負極：Ｈ２　→　２Ｈ＋　＋　２ｅ− 　　　　正極：Ｏ２　＋　４Ｈ＋　＋　４ｅ−　→　２Ｈ２Ｏ 　　　　全体の反応：２Ｈ２　＋　Ｏ２　→　２Ｈ２Ｏ

電池の小型化，高性能化が，いろいろな製品の小型化を実現しています。その例として，ノートパソコンや携帯電話を上げることができるでしょう。このように，電池は私たちの暮らしを豊かにしてくれているのですね。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　それでは，今日の勉強の確認です。 １．ダニエル電池の正極と負極は何が使われていますか？→正極；銅Ｃｕ，負極；亜鉛Ｚｎ ２．マンガン乾電池の正極と負極は何が使われていますか？→正極；炭素Ｃ，負極；亜鉛Ｚｎ ３．充電により繰り返し使える電池を何といいますか？→二次電池または蓄電池 ４．鉛蓄電池の正極と負極は何が使われていますか？→正極；酸化鉛（ＩV）ＰｂＯ２，負極；鉛Ｐｂ ５．水素-酸素燃料電池では，正極と負極は何が使われていますか？→正極；酸素Ｏ２，負極；水素Ｈ２