【化学】ダニエル電池の仕組み

ダニエル電池とは？

亜鉛板を硫酸亜鉛水溶液に浸し、銅板を硫酸銅(Ⅱ)水溶液に浸し、それぞれを素焼き板で仕切ったでんちをダニエル電池と呼びます。

亜鉛が負極となり、原子がイオン化します。

亜鉛板に溜まった電子は電位が高い銅板に流れ込みます。銅板の表面ではCu²⁺（硫酸銅水溶液由来）が電子を受け取り、Cuとして析出します。

ボルタ電池と比べてダニエル電池が優れている点とは？

ダニエル電池はボルタ電池とは違い水素が発生しないため、分極が起こらず、電圧が低下しません。

上の式で得られる反応熱212kJ/molを電気エネルギーとして取り出した形となります。

素焼き板の役割とは？

素焼き板はZnSo₄とCuSO₄の混合を防いでいます。素焼き版がなくなると、亜鉛板上で次の反応が起こります。

そのため、自己放電が生じ、電子は外の回路に流れなくなります。

なぜ完全に仕切ってはいけないの？

ダニエル電池を素焼き板ではなく、完全に仕切ってしまうと電流は流れなくなります。仕切ってしまうと、両極間でイオンが動くことができなくなるためです。イオンが動けなくなると、各極でのイオンの総電荷がつりあわず、電気が流れなくなります。

もっと詳しく！

両極を仕切ると、溶けだしたイオンが動かなくなります。亜鉛板では、Znが溶けだすので、［Zn²⁺］>［SO₄^2-］となります。一方、銅板ではCuが析出することで［SO₄^2-］>［Cu²⁺］となります。負極ではZn²⁺が留められ、亜鉛板の電子がZn²⁺に引き寄せられて動けなくなります。また、銅板周辺では陰イオンが多く、負極からの電子の動きがストップします。この結果、電流は流れなくなります。

しかし、仕切りではなく、素焼きの板にすることによってイオンが移動し、Zn²⁺はCuSO₄側へ、SO₄^2-はZnSO₄側へと移動します。この結果、電子が亜鉛板に固定されることがなくなり、銅板側へと移動し始めます。

しかし、Zn²⁺とSO₄^2-とでは、SO₄^2-の方が移動速度が僅かに早いことが知られています。その結果、やはり両液の間で電位の偏りが生じ、分極します。

ダニエル電池と塩橋

素焼きの板を使う代わりに、塩橋を使う方法もあります。塩橋にはKClやKNO₃などの塩の濃水溶液をU字管に入れてゼラチンで固めたものです。

ダニエル電池が放電を始めると、ZnSO₄水溶液へはCl^–が移動し⊕電荷が中和されます。また、CuSO₄水溶液にはK+が移動し⊖電荷を中和します。その結果、両極付近での電位は維持され、分極は殆ど生じません。

塩橋のKClが無くなるとどうなるの？

KClは流出し続けているため、量が減っていきます。次第に濃度が薄くなると、電流が流れなくなります。