ダニエル電池の作製と電池性能の測定

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。

「動　画」基本操作編

「動　画」実践編

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実験プリント版

「実験タイトル」ダニエル電池の作製と電池性能の測定

「サブタイトル」

「キーワード」酸化還元反応　金属　標準電極

「準　備」「操　作」省略

「画　像」

「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、金属板とセロファンは洗浄して返却。
• 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。

「解　説」

• 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

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…

• 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|(+)

• 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。
• 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。

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◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、実験材料・操作、解説の一部を非公開にしてあります。操作に一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対にしないで下さい。詳細は、次の３書(管理者の単著作物)でも扱っているものがありますので参考になさってください。