図でつかむ
電池では物質の変化にともなって電子が動き、その流れを外部回路で電流として利用します。
電池の基本構造
- 負極（−極）：電子を放出する電極（イオン化しやすい金属）
- 正極（＋極）：電子を受け取る電極
- 電子は 負極 → 外部回路 → 正極へ流れる
- 電流の向き：正極 → 負極（電子の逆向き）
ボルタ電池（最初の電池）
負極（亜鉛）：Zn → Zn²⁺ + 2e⁻（亜鉛が溶け、電子が出る）
電子は導線を通って銅板へ
正極（銅）：2H⁺ + 2e⁻ → H₂（水素ガスが発生）
ダニエル電池（実用的な電池）
負極（亜鉛）：Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
正極（銅）：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu（銅イオンが銅に戻る、銅板が太る）
2つの水溶液は 素焼き板やセロハンで仕切る → 水溶液が直接混ざりにくく、イオンは移動できる
イオン化傾向（金属の元気度）
イオン化列（中学範囲）：Mg > Zn > Fe > Cu > Ag
- Mg（マグネシウム）：最もイオン化しやすい
- Zn（亜鉛）：ダニエル電池の負極
- Cu（銅）：ダニエル電池の正極
- Ag（銀）：イオン化しにくい
電池の種類
- 一次電池：使い切り（マンガン乾電池、アルカリ乾電池）
- 二次電池：充電して繰り返し使える（ニカド、リチウムイオン、鉛蓄電池）
- 燃料電池：水素と酸素から水と電気を作る。次世代エネルギー（FCV、定置式）
燃料電池の仕組み
負極：H₂ → 2H⁺ + 2e⁻（水素が電子を出す）
正極：O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O（酸素と水素イオンと電子で水ができる）
全体：2H₂ + O₂ → 2H₂O
→ 発電時にできる主な物質は水。水素を使う段階では CO₂ を出さない
身近な電池の種類
| 電池 | 種類 | 用途 |
|---|---|---|
| マンガン乾電池 | 一次電池 | リモコン、時計（弱電流） |
| アルカリ乾電池 | 一次電池 | 強電流のおもちゃ・LEDライト |
| ボタン電池 | 一次電池 | 腕時計・電卓・補聴器 |
| リチウムイオン | 二次電池 | スマホ・PC・電気自動車 |
| ニッケル水素 | 二次電池 | 充電池・ハイブリッド車 |
| 鉛蓄電池 | 二次電池 | 自動車のバッテリー |
| 燃料電池 | 連続供給 | FCV（燃料電池車） |
電池の歴史
1800年：ボルタ電池（イタリア・ボルタ）── 世界初の化学電池
1836年：ダニエル電池（イギリス・ダニエル）── 実用的な電池
1859年：鉛蓄電池（フランス・プランテ）── 充電可能
1888年：マンガン乾電池（屋井先蔵、日本）
1991年：リチウムイオン電池（ソニー）── 商業化
2019年：吉野彰がリチウムイオン電池でノーベル賞
ダニエル電池の改善点
ボルタ電池は 水素の泡が正極にたまる → 電気が流れにくくなる（分極）
→ すぐ電圧が下がる
ダニエル電池の解決策
2つの水溶液を 分けてセットする（素焼き板やセロハンで仕切る）
→ 銅イオンが銅板にくっつく → 水素が出ない
→ 安定して長く電気を供給できる
- 電子の流れ：負極 → 外部回路 → 正極。
- 電流の向き：正極 → 外部回路 → 負極（電子の逆）。
- 「電子は − から ＋ へ、電流は ＋ から − へ」と覚える。
- 2種類の金属で電池を作るとき、イオン化傾向が大きい方が負極
- マグネシウム vs 銅 → マグネシウムが負極
- 亜鉛 vs 銅 → 亜鉛が負極（ダニエル電池）
- イオン化列：Mg > Zn > Fe > Cu > Ag を覚える
- 一次電池：使い切り（マンガン・アルカリ乾電池）
- 二次電池：充電できる（リチウムイオン・鉛蓄電池）
- 充電できる電池の仕組み：放電と逆の化学反応を起こす
練習問題
希硫酸に亜鉛板と銅板を入れて電池を作った。どちらが正極で、どちらが負極か。理由も。
答えを見る
負極：亜鉛板（イオン化しやすい、電子を出す）
正極：銅板（水素イオンが電子を受け取る）
ダニエル電池で、亜鉛板はどう変化するか、銅板はどう変化するか。
答えを見る
亜鉛板：溶けて減る（Zn → Zn²⁺ + 2e⁻）
銅板：銅が析出して太る（Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu）
マグネシウムと銅で電池を作るとどちらが負極か。
答えを見る
マグネシウムが負極（イオン化傾向が大）。
燃料電池の原料と排出物を答えよ。
答えを見る
原料：水素と酸素 ／ 排出物：水（だけ）
まとめ
- 電池：化学エネルギー → 電気エネルギー。
- 負極：イオン化しやすい金属が電子を出す。
- 正極：イオンが電子を受け取る。
- 電子の流れ：負極 → 外部 → 正極。電流は逆向き。
- ダニエル電池：Zn(−)/Cu(＋)、亜鉛が溶け銅が析出。
- イオン化傾向：Mg > Zn > Fe > Cu > Ag。
- 燃料電池は 水だけ排出のクリーン電池。