イントロ
離れた場所で酸化と還元をつなぐ
電子は亜鉛負極から銅正極へ
ダニエル電池では、Znが負極で酸化されて電子を出し、Cu²⁺が正極で電子を受け取って還元されます。電子は外部回路をZn側からCu側へ流れます。
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定義
ダニエル電池
- 教科書では
- Zn/Zn²⁺系とCu²⁺/Cu系の酸化還元を別の容器または区画で進め、外部回路から電気エネルギーを取り出す電池です。
- 言いかえると
- イオン化傾向が大きいZnが電子を出すためZn電極は負極です。電子は導線を通ってCu電極へ移動し、Cu²⁺がCuとして析出します。塩橋はイオンを移動させて両溶液の電荷の偏りを抑え、回路を保ちます。電子が塩橋を通るわけではありません。
公式
各極の半反応
放電中の極性、電子、物質変化を極ごとに読みます。
負極・酸化
Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
Zn電極の原子が溶液中のZn²⁺となり、電子2個を外部回路へ出します。
- 負極放電中に電子を外部回路へ送り出す極
使うときのコツ
Zn側は酸化で、電極の質量は減る方向です。
正極・還元
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)
Cu²⁺が電子を受け取り、Cu電極上へ金属Cuとして析出します。
- 正極放電中に外部回路から電子を受け取る極
使うときのコツ
Cu側は還元で、電極の質量は増える方向です。
解くコツ
金属のイオン化傾向→酸化する極→電子の出発点→還元する極、の順に判断します。
公式
電子を消去した全体反応
二つの半反応は電子2個でつながります。
全体反応
Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)
電子2個を消去した全体の酸化還元反応です。
- e⁻の向き外部回路でZn電極からCu電極
使うときのコツ
左右の原子数と電荷合計+2が一致します。
解くコツ
半反応式の電子数をそろえて足し、電子を消去してから原子数と電荷を検算します。
手順
電池図を読む手順
- 1
二つの金属をイオン化傾向で比較し、電子を出すZn側を決める
- 2
Zn側へ負極・酸化、Cu側へ正極・還元と対応させる
- 3
電子の矢印を外部回路でZnからCuへ描く
- 4
各極の半反応式を書き、電子2個をそろえて全体式を作る
- 5
塩橋はイオン移動で電気的中性を保つと説明する
比較
| 項目 | Zn側 | Cu側 |
|---|---|---|
| 放電時の極 | 負極 | 正極 |
| 反応 | 酸化 | 還元 |
| 半反応 | Zn→Zn²⁺+2e⁻ | Cu²⁺+2e⁻→Cu |
| 電極質量 | 減る方向 | 増える方向 |
項目放電時の極
- Zn側
- 負極
- Cu側
- 正極
項目反応
- Zn側
- 酸化
- Cu側
- 還元
項目半反応
- Zn側
- Zn→Zn²⁺+2e⁻
- Cu側
- Cu²⁺+2e⁻→Cu
項目電極質量
- Zn側
- 減る方向
- Cu側
- 増える方向
『負極だから還元』ではありません。ダニエル電池の放電では負極Znが酸化、正極Cuが還元です。
例
- 場面
- ダニエル電池でZn 0.100 molがZn²⁺へ酸化された。Cu²⁺の減少量と析出するCuの質量を求める。Cuのモル質量は63.5 g/molとする。
- 順に考えると
- 両半反応は電子2個で対応し、全体式のZn:Cu²⁺:Cuは1:1:1です。したがってCu²⁺は0.100 mol減り、Cuは0.100 mol析出します。質量は0.100 mol×63.5 g/mol=6.35 gです。
- ここが結論
- Cu²⁺は0.100 mol減少し、Cu 6.35 gが析出します。Zn側とCu側の電子数も各0.200 mol分です。
注意
電子は塩橋を通らない
確認
確認テスト
Q1
放電中のダニエル電池について正しい組合せはどれですか。
まとめ
まとめ
- 1
Zn側は負極で酸化、Cu側は正極で還元
- 2
電子は外部回路をZn電極からCu電極へ流れる
- 3
塩橋はイオン移動で溶液の電荷の偏りを抑える
- 4
化学基礎ではダニエル電池の反応までとし、実用電池・電気分解へ越境しない