ダニエル電池の作製と電池性能測定

亜鉛-銅によるダニエル電池を作成し、放電による金属表面の変化を観察します。

「動　画」基本操作編

□リード線やモータは濡らさないように。終了後は、金属板の表面をきれいに磨いて保管します。

「解　説」※以下、実験プリント補足編！

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り単体の銅に還元されます。

Zn → Zn²⁺ + 2e^–  …①

Cu²⁺ + 2e^– → Cu …②

それぞれの標準酸化電位を含めて電気化学的にみると…

Zn²⁺ + 2e^– = Zn – 0.762V＿E_Zn

Cu²⁺ + 2e^– = Cu + 0.340V＿E_Cu

酸化電位の差は 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となります。電池式は、電解液を組み合わせて…

(-)Zn|Zn²⁺・ZnSO₄| CuSO₄・Cu²⁺|Cu|(+)

電池性能の低下について…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ます。その主な要因としては…

〇活物質濃度低下：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。

〇イオン伝導度の低下：電解質内の[　イオン　]の移動速度が低下する。電解質膜の劣化もイオン伝導度の低下をもたらす。

〇電極活性の低下：電極表面の[触媒　]機能が低下することによる。

電池性能の測定について…最も簡便な方法として電池の内部抵抗の測定があります。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　]で表すことができます。また、抵抗にかかる端子電圧はオームの法則 V = RI により求まります。

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が、電池性能を判断するバロメータとなるのです。

回路に流れた電気量について…金属板の質量の変化から移動した電子の量がわかります。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ができるのです。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となります。