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高校 · 15分

電池：ダニエル電池からネルンストの式へ

亜鉛–銅電池を組み、電子の流れを見て、電圧が金属と濃度にどう依存するかを調べる。

3Dの電池。金属電極を入れた2つのビーカーを導線と塩橋でつなぎ、導線上を電子が動き、隅に電圧が表示される。

目的

4つの電極の組で EE を調べ、イオン濃度比を変えてネルンストの式を確かめる。

器具と試薬

導線と塩橋でつないだ2つの半電池（例：ZnX2+\ce{Zn^2+} 中の Zn\ce{Zn} と CuX2+\ce{Cu^2+} 中の Cu\ce{Cu}）と電圧計。

手順

  1. Zn / Cu のままにして、lg⁡Q=0\lg Q = 0 のときの E∘E^\circ を読む。
  2. lg⁡Q\lg Q を +2+2 と −2-2 にして、そのつど EE を記録する。
  3. 「反応の進行度」を 0 から 1 まで動かし、電極と溶液の変化を見る。
  4. 電極の組を Zn / Ag、Cu / Ag、Fe / Cu に変え、電圧を比べる。

観察すること

  • lg Q = 0 では Zn / Cu が 1.10 V、Zn / Ag が 1.56 V、Fe / Cu が 0.78 V、Cu / Ag が 0.46 V。
  • E は lg Q が 1 増えるごとに約 0.030 V 変化する（Zn / Cu で −2 のとき 1.16 V、+2 のとき 1.04 V）。
  • 負極は細くなり、正極は太くなり、Cu²⁺ の青色は薄くなる。

解説

負極（アノード）では金属が酸化され Zn→ZnX2++2 eX−\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}、正極（カソード）ではイオンが還元され CuX2++2 eX−→Cu\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu} となる。電子は導線を − から + へ流れ、塩橋を通って陰イオンはアノード側へ、陽イオンはカソード側へ移動し、電荷のつり合いが保たれる。25 °C では E=E∘−0.05916nlg⁡QE = E^\circ - \frac{0.05916}{n}\lg Q で、QQ は電池反応のイオン濃度比、E∘E^\circ は標準電極電位の差 Eカソード∘−Eアノード∘E^\circ_{\text{カソード}} - E^\circ_{\text{アノード}} である。

実験の歴史

1836 年、ジョン・フレデリック・ダニエルは、希硫酸（後に硫酸亜鉛）に浸した亜鉛電極と硫酸銅に浸した銅電極を多孔質の隔壁で隔てた、最初の耐久性あるガルバニ電池を作った。不安定だったボルタ電池と異なり、ダニエル電池は約 1.1 V を安定して供給し、黎明期の電信網を数十年支えた。ファラデーの電気分解の法則（1834）とネルンストの濃度に依存する電位（1889）により、こうした電池は定量測定の道具となった。

ゆかりの化学者

マイケル・ファラデーヴァルター・ネルンスト

関連トピック

電池・電極電位・ネルンストの式電気分解・腐食と金属の防食

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