ダニエル電池の製作

※参考程度

実験 NOTE「ダニエル電池」
「表 題」
ダニエル電池の作製と電池性能の測定
「目 的」
亜鉛-銅によりダニエル電池を作成し、放電による変化を観察する。また、外部端子抵抗による内部抵抗の測定を試みる。
「概 説」
1.ダニエル電池の金属板付近で起こる化学変化としては、亜鉛が電子を放出し亜鉛イオンとなり、銅イオンが電子を受け取って単体の銅に還元されることである。

Zn → 　Zn²⁺　 + [　2e^–　] …①

Zn²⁺ + 2e^– = Zn – 0.762V＿E_Zn

Cu²⁺ + 2e^– = Cu + 0.340V＿E_Cu

酸化電位E=E_Cu-E_Zn より、

Cu²⁺ + Zn = Cu + Zn²⁺ + 1.102V

この酸化電位+1.102Vが、ダニエル電池の理論起電力になる。電池式は、電解液を組み合わせて次の表記になる。

([-])Zn|[Zn²⁺]・ZnSO₄|CuSO₄・[Cu²⁺]|Cu([+])

3.電池性能の低下：化学電池は放電の進行
によって化学反応の[ 速度 ]が低下し、劣化は [ 電圧 ]降下というかたちで表
れる。主な要因としては、①活物質濃度低下：反応に関わる化学物質
の濃度が低下する。特に電極付近で起こることによる。
②イオン伝導度の低下：電解質内を移動するイオンの速度が低下する。電解質膜の劣化もイオン伝導度の低下をもたらす。
③電極活性の低下：金属板の表面や触媒機能が低下することによる。
4.電池性能の測定：最も簡便な方法が電池の内部抵抗を測定することである。内部抵抗 r は、開放電圧 E の電池に抵抗 R をつないで実際に電流を流した時にかかる電圧降下の割合で、V = E – rI で表すことができる。また、抵抗にかかる端子電圧はオームの法則 V = RI により求まる。
V = E – rI = RI
電流 I を消去すると内部抵抗 r は
r = R[(E/V)-1]
この内部抵抗 r は、電池性能を判断するバロメータとなる。
5.回路に流れた電気量：金属板の質量の変化から、移動した電子の量がわかる。1molの物質量に相当する電子の電気量は、約96485〔C〕とわかっている(ファラデー定数)ので、おおよその電気量を算出するこ
とはできる。移動した電子の量を n〔mol〕とおくと、
電気量：Q = n(電子の量)×96485〔C〕
しかも、電気量 Q は、電流 I〔A〕が流れ続けた時間 t〔s〕の積でも表現されるので、
電力量：Q = It〔C〕
したがって、電気を流していた時間がわかれば、平均的に流れていた電流値も算出可能である。
「準 備」
精密電子天秤 銅板 亜鉛板 ろ紙 2 枚1mL ピペット 2 本 0.1mol/L 硫酸亜鉛水溶
液 5mL セロファン紙(半透膜) 1.0mol/L硫酸銅水溶液 5mL ペーパータオル バッ
ト リード線 2 組 モーター(電子オルゴール) ガムテープ テスター 抵抗(5～
100Ωなど) アセトン 10mL

「操 作」
1.0.1mol/L 硫酸亜鉛水溶液、1.0mol/L 硫酸銅水溶液をそれぞれ約 3 mL 試験管に準備しておく。
2.次のものを下方より順に上に積み重ねて電池セルを作成する。
①亜鉛板
②ろ紙 B(1mL ピペットで 0.1mol/L 硫酸亜鉛水溶液で十分に湿らせておく)
③セロファン紙(半透膜)
④ろ紙 A(1mL ピペットで 1.0mol/L 硫酸銅水溶液で十分に湿らせておく)
⑤銅板
⑥ペーパータオル
3.銅板と亜鉛板の折り曲げ部分に、リード線のワニ口クリップを接続し、モーター(低電圧で作動するソーラー用または電子オルゴール)を組み入れる。モータ等は安定させるためガムテープなどで固定しておく。
「工夫と注意・片付けなど」
1.リード線やモータは濡らさないように。
2.ろ紙は破棄、金属板とセロファンは洗浄して返却。
3.金属板は硬めブラシで表面をきれいにみがいて保管する。
「観察・結果」
1.作製した電池セルにモーターを組み入れた全体図
2.長時間放電終了後、電池を解体時の各金属板やろ紙の変化の観察
①亜鉛板
・[黒 ]化：亜鉛が溶出して表面が[ 粗 ]くなる
②銅板
・[褐 ]色物質が付着してくる。
③ろ紙(銅板側)
・青色 → [薄 ]くなる
「考 察」
電池概略図を描き、放電終了後の観察からわかることを考察しなさい。(電子やイオン移動など)