この実験について
ガルバニ電池は化学反応を電気に変換します。亜鉛を硫酸亜鉛に、銅を硫酸銅に入れ、金属同士をワイヤーで、溶液同士を塩橋でつなぐと、電子は亜鉛から銅へ流れます。それぞれの金属には電子を失いやすい性質があり、これは電極電位で表されます。2つの電極電位の差が電圧になります。異なる金属を組み合わせたり、濃度や温度を変えたりしてから負荷を接続し、反応が進むにつれて電池が消耗していく様子を観察しましょう。
学習目標
- ガルバニ電池の陽極、陰極、および電子の流れる向きを特定する
- 標準電極電位から標準電池電位を計算する
- 電池の半反応式と全反応式を書く
- ネルンストの式を使って、濃度と温度が電圧をどのように変化させるか説明する
- 塩橋の役割と、電池が最終的に電圧を失う理由を説明する
使い方
- 1亜鉛と銅をそれぞれ1 Mにして、電圧計の値を読み取る。E°(Cu²⁺/Cu) - E°(Zn²⁺/Zn) と照らし合わせる。
- 2銅を銀に替え、次にもう一方の電極をマグネシウムに替える。どの組み合わせが最も大きな電圧を生み、それぞれの場合にどちらの電極が陽極になるか。
- 3亜鉛と銅に戻す。銅イオン濃度を0.01 Mまで下げると、電圧はどれくらい変化するか。ネルンストの式と比較する。
- 4両側に銅を置き、一方を1 M、もう一方を0.001 Mにする。電極がどちらも同じ金属なのに、なぜ電圧が生じるのか。
- 5「負荷を接続して放電」を押す。電極、銅溶液の色、電圧グラフを観察する。電圧が急激に低下するのはいつか。
- 6負荷抵抗を小さくしてください。電流と電池の持続時間はどう変わりますか？
モデル
前提条件
- 電極電位には、25 °Cでの標準値と、活量の代わりに濃度を用いたネルンストの式を使います。
- 各ビーカーには100 mLの溶液が入っています。塩橋には抵抗があり、溶液の抵抗と合わせた内部抵抗は2 Ωとします。
- 電流は拡散による供給量を超えることはできません。陰極では、イオン濃度1 mol/Lあたり2 Aに制限されます。そのため、陰極のイオンがなくなると、電圧は急速に低下します。
- 亜鉛が溶液中の酸と直接反応するなどの副反応は無視します。電池の放電中は、1秒が1時間に相当する速度で時間が進みます。
授業で試してみましょう
- Q1リストの中で最も強い還元剤はどの金属ですか？電極電位からどのように判断できますか？
- Q2マグネシウムと銀で構成される電池の全体反応式を書きなさい。その標準電池電位はいくらですか？
- Q3塩橋を取り除くと、なぜ電池は動作しなくなるのですか？
- Q4亜鉛と銅の電池の電圧は、なぜ寿命の大部分でほとんど変化せず、その後突然低下するのですか？
- Q5濃淡電池の両側に同じ金属が使われています。どちら側が陰極ですか？また、放電が進むにつれて、2つの溶液の濃度はどうなりますか？
よくある質問
電気分解では陽極が正極なのに、なぜガルバニ電池では陽極が負極なのですか？
酸化は常に陽極で起こります。ガルバニ電池では、酸化によって電子が金属中に放出されるため、陽極は負極になります。電気分解では、外部電源が陽極から電子を引き抜くため、陽極は正極につながっています。
塩橋にはどのような働きがありますか？
溶液同士が混ざらないようにしながら、イオンを溶液間で移動させ、それぞれの溶液を電気的に中性に保ちます。陰イオンは陽極へ、陽イオンは陰極へ移動します。
負荷を接続すると、なぜ電圧計の読みが下がるのですか？
電流が流れると、起電力の一部は電池の内部抵抗に電流を流すために使われます。負荷にかかる電圧は、起電力から I と r の積を引いた値です。