化学徒の備忘録

化学系の用語や論文をわかりやすく紹介していきます

ダニエル電池・多孔質隔膜(素焼き板)・反応の解説

ダニエル電池

硫酸銅などの銅の塩を含む水溶液に銅電極、硫酸亜鉛などの亜鉛の塩を含む水溶液に亜鉛電極を浸した二液式の電池である。

また、多孔質隔膜によって、両方のイオン伝導体を隔てている。この多孔質隔膜としては、素焼き板などの多孔性磁器、半透膜、半溶融ガラス、毛細管、ろ紙、ゲルなどが使われる。多孔質隔膜の目的は、イオンの透過を可能にしながら、正極と負極の溶液の混合を妨げることである。具体的には、亜鉛イオンなどの陽イオンが、正極側へ移動し、硫酸イオンなどの陰イオンが、負極側へ移動することを可能にしながら、Cu2+とZn、Zn2+とCuの酸化還元反応が起こることを妨げている。

1836年にダニエルが考案したことから、ダニエル電池といわれている。

電池式では、次のように表される。

(-) Zn | ZnSO4 aq | CuSO4 aq | Cu (+)

ダニエル電池の反応

正極 (カソード) の反応は次のようになり、溶液の銅イオンが電極から電子を受け取ることで金属の銅となって析出する。

Cu2+ + 2e- → Cu

この正極では還元反応が起こっている。

負極 (アノード) の反応は次のようになり、亜鉛が電極に電子を残して亜鉛イオンとなり、溶液へ溶け出す。

Zn → Zn2+ + 2e- 

この負極では酸化反応が起こっている。

電池全体としては、次の酸化還元反応が起こっている。 

 Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

ダニエル電池の起電力

この起電力は計算すると約1.1 Vとなる。具体的に、両方の陽イオンの活量が等しいとして計算すると、起電力は1.102 Vとなる。

しかしながら、実際には、多孔質隔膜が存在するため、液間電位差が存在する。

起電力変化は小さく、気体の発生も起こらない。そのため、昔は電話交換機用の電源といて用いられたこともあった。しかしながら、銅イオンが負極側へ拡散して自己放電を起こすため、液の交換を頻繁に行う必要があり、現在では実用的に用いられてはいない。

ダニエル形電池

金属をMその塩をMXとするとき、2種類の金属と、その塩を組み合わせた電池を一般的にダニエル形電池という。

ダニエル形電池は、電池式で表すと次のようになる。

(-) M | MX aq | M'X aq | M' (+)