ダニエル電池の製作

「欠席者用：参考資料」

No.8　

「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」

• ダニエル電池の金属板付近では、亜鉛が電子を放出し亜鉛イオンとなり、銅イオンは電子を受け取って単体の銅に還元される。

Zn →　Zu²⁺ 　+ [　2e^–　] …①

Cu²⁺ + 　2e^–　 → [　Cu　] …②

電子e^–を消去するために①+②としてまとめると…

Zn + [　Cu²⁺]→ [　Zu²⁺] + 　Cu

• この化学変化を電気化学的にみると、

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 + 1.102 V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([+])

• 電池性能の低下：化学電池は放電の進行によって[　電圧　]降下が起こりやすくなる。主な要因としては、
  • 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。特に電極付近で激しく起こることによる。
  • 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。
  • 電極活性の低下：金属板表面の[　触媒　]機能が低下することによる。
• 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 　　V = 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。

• 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」

• 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。
• 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。
• 亜鉛板
• ろ紙B(1mLピペットで1mol/L硫酸亜鉛水溶液で十分に湿らせておく)
• セロファン紙(半透膜)
• ろ紙A(1mLピペットで0mol/L硫酸銅水溶液で十分に湿らせておく)
• 銅板
• ペーパータオル
• 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。
• 内部抵抗測定
  • ソーラーモーター等を外し、開放電圧Eを測定する。
  • そこに端子抵抗Rをつなぎ、その直後に降下した電圧Vを測定する。

「工夫と注意・片付けなど」

• リード線やモータは濡らさないように。
• ろ紙は破棄、金属板洗浄して返却。

「観察・結果」

• 作製した電池セルにモーターを組み入れた全体図
• 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
  • 亜鉛板

・[黒　]化：亜鉛が溶出して表面が[　粗　]くなる

• 銅板

・[褐　]色物質が付着してくる。

• ろ紙(銅板側)

・青色　→　[薄　]くなる

• 計測値

開放電圧E →　[　　　　　]

端子抵抗R・降下電圧V →　[　　　　]

「考　察」

1. 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)

 

2. 計測値から内部抵抗を計算し、内部抵抗の要因について考察しなさい。