この教材で学ぶこと
到達目標
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電池が酸化還元反応を利用する装置であることを説明できる
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負極で酸化、正極で還元が起こることを理解できる
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電子の流れと電流の向きを区別できる
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ダニエル電池の仕組みを説明できる
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代表的な実用電池の特徴を整理できる
前提知識
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酸化還元反応
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酸化数
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酸化剤・還元剤
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イオン
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金属のイオン化傾向
1
電池とは
電池とは、酸化還元反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変える装置です。
電池の中では、ある物質が酸化されて電子を放出し、別の物質がその電子を受け取って還元されます。
電子が外部回路を流れることで、電流として利用できます。
つまり、電池を理解するには、酸化還元反応と電子の流れを理解することが重要です。
確認ポイント
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電池が酸化還元反応を利用する装置であることを説明できる
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電子の流れが電気エネルギーとして利用されることを理解できる
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2
正極と負極
電池では、酸化が起こる電極を負極、還元が起こる電極を正極といいます。
負極では金属などが電子を放出します。
正極では、外部回路を通ってきた電子を受け取る反応が起こります。
電池では、電子は負極から正極へ流れます。
一方、電流の向きは電子の流れと逆向きに考えます。
電池の正極・負極
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電極
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起こる反応
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電子の動き
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負極
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酸化
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電子を放出する
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正極
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還元
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電子を受け取る
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確認ポイント
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電池では負極で酸化が起こることを覚える
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電池では正極で還元が起こることを覚える
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電子の流れと電流の向きが逆であることを理解できる
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3
ダニエル電池
ダニエル電池は、亜鉛板、銅板、硫酸亜鉛水溶液、硫酸銅(II)水溶液などを使った代表的な電池です。
亜鉛は銅よりイオンになりやすいため、亜鉛板が負極になります。
負極では亜鉛 Zn が電子を失って Zn²⁺ になります。
正極では Cu²⁺ が電子を受け取って Cu になります。
全体として、Zn が酸化され、Cu²⁺ が還元される反応です。
負極の反応
Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
亜鉛が電子を失って酸化されます。
正極の反応
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
銅(II)イオンが電子を受け取って還元されます。
全体の反応
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
Znが還元剤、Cu²⁺が酸化剤として働きます。
ダニエル電池のまとめ
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項目
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内容
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負極
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Zn
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正極
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Cu
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負極で起こる反応
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Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
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正極で起こる反応
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Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
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電子の流れ
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Zn極 → Cu極
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確認ポイント
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ダニエル電池の負極がZnであることを説明できる
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ダニエル電池の正極がCuであることを説明できる
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各電極で起こる半反応式を書ける
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4
塩橋の役割
ダニエル電池では、2つの水溶液を塩橋でつなぐことがあります。
塩橋は、イオンを移動させて電気的な偏りを防ぐ役割をもちます。
負極側では Zn²⁺ が増えて溶液が正に偏りやすくなります。
正極側では Cu²⁺ が減って溶液の正電荷が減ります。
塩橋によってイオンが移動することで、反応が続きやすくなります。
塩橋の役割
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役割
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説明
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電気的中性を保つ
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溶液中の電荷の偏りを防ぐ
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回路を完成させる
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イオンの移動によって電流が流れ続ける
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溶液の直接混合を防ぐ
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2つの水溶液がすぐ混ざらないようにする
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確認ポイント
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塩橋が電気的中性を保つ役割をもつことを説明できる
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塩橋がないと電池反応が続きにくくなる理由を理解できる
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5
イオン化傾向と電池
金属が陽イオンになりやすい性質をイオン化傾向といいます。
イオン化傾向が大きい金属ほど、電子を失って陽イオンになりやすいです。
電池では、一般にイオン化傾向が大きい金属が負極になりやすいです。
たとえば、ZnはCuよりイオン化傾向が大きいため、ダニエル電池ではZnが負極になります。
イオン化傾向と電池の判断
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金属
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イオン化傾向
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電池での傾向
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Zn
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Cuより大きい
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電子を出しやすく負極になりやすい
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Cu
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Znより小さい
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正極側になりやすい
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注意：イオン化傾向が大きい金属ほど、酸化されやすいと考えると分かりやすいです。
確認ポイント
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イオン化傾向が大きい金属が酸化されやすいことを説明できる
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イオン化傾向から電池の負極を判断できる
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6
代表的な実用電池
実用電池には、一次電池と二次電池があります。
一次電池は基本的に使い切りの電池です。
二次電池は充電して繰り返し使える電池です。
代表例として、マンガン乾電池、アルカリマンガン乾電池、鉛蓄電池、リチウムイオン電池などがあります。
代表的な電池
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電池
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分類
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特徴
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マンガン乾電池
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一次電池
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使い切りの乾電池
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アルカリマンガン乾電池
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一次電池
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比較的大きな電流を取り出せる
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鉛蓄電池
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二次電池
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自動車のバッテリーなどに使われる
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リチウムイオン電池
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二次電池
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スマートフォンやノートPCなどに使われる
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燃料電池
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発電装置
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水素と酸素の反応などを利用
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確認ポイント
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一次電池と二次電池の違いを説明できる
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代表的な実用電池の名前を答えられる
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燃料電池が酸化還元反応を利用することを理解できる
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7
燃料電池
燃料電池は、燃料と酸化剤を外部から供給し続けて発電する装置です。
代表的な燃料電池では、水素と酸素の反応を利用します。
全体としては、水素と酸素から水ができる反応です。
燃焼とは異なり、化学エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出す点が特徴です。
燃料電池の全体反応
2H₂ + O₂ → 2H₂O
水素と酸素から水が生成します。
燃料電池の特徴
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項目
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内容
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燃料
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水素など
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酸化剤
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酸素など
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生成物
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水など
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特徴
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化学エネルギーを直接電気エネルギーに変える
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確認ポイント
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燃料電池の基本反応を説明できる
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燃料電池が電池の一種であることを理解できる
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8
電池の例題
電池の問題では、正極・負極、電子の流れ、各電極での反応がよく問われます。
迷ったら、電池では負極で酸化、正極で還元と考えましょう。
例題：電池では酸化が起こるのは正極か負極か。
答え：負極
電池では、負極で酸化が起こり、電子が放出されます。
例題：ダニエル電池で負極となる金属は何か。
答え：亜鉛 Zn
ZnはCuよりイオン化傾向が大きく、電子を失ってZn²⁺になりやすいため負極です。
例題：ダニエル電池で電子はどちらからどちらへ流れるか。
答え：Zn極からCu極へ流れる
負極であるZnから、正極であるCuへ電子が流れます。
確認ポイント
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電池の正極・負極を判断できる
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電子の流れを説明できる
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ダニエル電池の半反応式を書ける
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