ダニエル電池の製作

「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 →[　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　]

2.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+1.102V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、

• • 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。
  • 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 　　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。

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。