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D 電池

 

ダニエル電池

1836年,イギリス人の化学者ダニエルによって考案されたもので,起電力の変化が少なく,気体も発生しないので,ボルタ電池よりも数段優れたものとして評価された。当初は銅イオンが亜鉛室に移って自己放電を起こすという欠点があったが,いろいろな構造の改良を行い,電話交換機用電源として実用化された。

 ダニエルJ.F.Daniellは,1790年ロンドンに生まれ,1845年没。1831年,ロンドンのキングスカレッジ設立の際に化学教授となる。1831年以降,英国学士院会員。ダニエル露点湿度計,ダニエル電池,銅‐亜鉛熱電対の発明で有名である。塩類の水溶液の電解による研究もある。

 電池の原理を理解するには,ダニエル電池の方が解り易いので,最近は,電池の学習ではダニエル電池から入るのが一般的になっている。

 

ボルタ電池

 イタリアの医学者ガルバーニ(17571796)は,カエルを金属板の上に置いたときけいれんを起こすことを観察し,この現象を筋肉中の生物電気だと考えた。しかし,イタリアの物理学者ボルタは,カエルに起こるけいれんは,動物自身がもつ電気ではなく,金属の接触電気によるものと考え,これにヒントを得て,水に濡らした紙や布を亜鉛と銅で挟むと,そこに電気が生じることを発見し,ボルタ電池を考え出した(1800)。これが電池の起源で,ボルタはこの電池はいつまでも使えると考えたが,実際は,水素イオンの吸着により銅表面の触媒能力が低下し,直ぐに使えなくなった。

 ボルタAlessandro Voltaは,1745218日生,182735日没。初めPavia大学,1815年以後Padova大学の教授。ボルタ電池を発明し定常的な電流を得て,化学反応が電流を生み出すことを明らかにした。電位,電圧の単位ボルトvolt(記号X)は,彼の名にちなんでつけられた。

 

マンガン乾電池

乾電池にはマンガン乾電池とアルカリマンガン乾電池がある。マンガン乾電池は古くから生産されていたが,国内では現在,アルカリマンガン乾電池の生産量の方が多い。

 マンガン乾電池は,メーカーによりその成分や構造が多少異なる様であり,教科書では,最も多くの専門書や教科書に記載されているものを示した。マンガン乾電池の反応は複雑で,簡単に説明できないが,一般的には次の様に説明されている。

 負極では亜鉛が溶けて電子が放出される。このときの生成物は,pHによって変化する。
(1)
 pH5.15.8 Zn2NH4Cl ―→ ZnCl22NH42e-

Zn ―→ Zn22e- (Zn2として溶解)

(2) pH5.87.85 Zn2NH4Cl2H2O ―→ Zn(NH3)2Cl22H3O2e-

(Zn(NH3)2Cl2が沈殿析出)

(3) pH7.859.3 Zn4NH4Cl4H2O ―→ Zn(NH3)4Cl24H3O4e-

([Zn(NH3)4]2として溶解)

正極では,MnO2の粒子内部に,NH4H30から分離したHが拡散してくる。また,負極から導線を通して炭素棒に電子が流れ込み,MnO2は還元されてMnO(OH)(またはMn2O3H2O)になる。そして,このMnO(OH)は未反応のMnO2中に拡散していくと考えられる(0.751.5Vくらいの放電の間の反応)
   MnO2NH4e- ―→ MnO(OH)NH3
   MnO2H3Oe- ―→ MnO(OH)H2O   (MnO2He- ―→ MnO(OH))
 正極での反応もpHにより,また反応が進むと変化する。反応が進んだときはMn2が生じると考えられている(主としてpH0.56)
   MnO24H2e- ―→ Mn22H2O
 全体の反応としては,次式が一般的に受け入れられている。
   2MnO22NH4ClZn ―→ 2MnO(OH)Zn(NH3)2Cl2
 また,電解液に塩化亜鉛を多く含む塩化亜鉛型電池の場合は,全体の反応が次式の様になると考えられている。
  8MnO28H2OZnCl24Zn ―→ 8MnO(OH)ZnCl2Zn(OH)2

マンガン乾電池は,休み休み使うと起電力が回復する特徴がある。

 

鉛蓄電池

鉛電池とも呼ばれる。電圧が2Vと高く,品質安定性に優れ,ニッケル-カドミウム電池等よりも安価なのが特徴で,寿命は放電の深さに大きく依存する。両極の表面が白いPbSO4結晶で完全に覆われると(サルフェーション),使用に耐え得るまで復帰させることは困難となる。

 

実用電池の種類

実用電池は一次電池と二次電池(蓄電池)に大別される。

実用一次電池

名   称

負極

電解質

正 極

電圧〔V

マンガン乾電池

Zn

ZnCl2 NH4Cl (ZnCl2)

MnO2C

1.5

アルカリマンガン電池

Zn

KOH(NaOH)

MnO2

1.5

酸化銀電池(銀電池)

Zn

KOH(NaOH)

Ag2O

1.55

空気電池

Zn

NH4ClKOH (NaOH)

O2 (空気)

1.35

リチウム電池

Li

LiBF4(LiClO4)

(CF)n (MnO2)

3.0

 

実用二次電池

名     称

負極

電解質

正 極

電圧〔V

鉛蓄電池

Pb

H2SO4

PbO2

2.1

ニッケル-鉄電池 (エジソン電池)

Fe

KOH

NiO(OH)

1.2

ニッケル-カドミウム電池

Cd

KOH

NiO(OH)

1.3

ニッケル-水素電池

MH

KOH

NiO(OH)

1.3

リチウムイオン電池

C Lix

Li

Li1-x CoO2

4

酸化銀-亜鉛電池(銀電池)

Zn

KOH

AgO

1.5

 

燃料電池

一般に,電池は化学変化のエネルギーを電流という形に変換するものである。ここで,化学物質のエネルギーを電気的エネルギーに変換する例として,燃料電池について考察してみよう。

 いま,白金板を水に浸し,その表面に水素を吹きつけると,水素の一部分はH+となって水に溶け込もうとする。したがって,白金板は水素から電子を与えられて負に帯電する。ある程度帯電すると,この負電気が上の反応をおし止めるので,電位は一定値より大きくはならない(平衡状態の電位)

 同様に,他の白金板に酸素を吹き込むと,酸素の一部はH2O (O24e-―→ 2O2-2HO2―→ H2O)となって水に溶け込み,極板は正に帯電する。この電極の電位も,平衡状態の値に達する。ここで,この2つの極を結びつけると,その間の電位差によって電極間に電流が流れ,液の中では次のように水が生じる。

   H2―→ 2H2e-

   O24H4e-―→ 2H2O

 これらの反応をまとめると,結局,水素2molは酸素1molと化合して水2molを生じたことになる。その際に,化学エネルギーの一部を電気エネルギーに変換することができる。このような電池を燃料電池という。この燃料電池から発生する最大の電圧は,それぞれの電極が独立の状態でもっていた平衡の電位の差になる(1.2V)。但し,燃料電池としての発電をしている時には,流れる電流と共に電圧は低下してくる。

尚,上の例では水素が燃料となっているが,メタノール,エタノール,メタン等の可燃性物質を使うこともできる(多くは触媒によって燃料物質から水素を分離して,水素を燃料として利用している)。燃料電池では,燃料を酸素と化合させ,即ち燃焼させ,その際に出る熱によって発電機を回して発電する方法に比べて,原理的に効率が高く,有毒な排ガスを生じず,装置も比較的簡単で,無人でも働く等の利点がある。その為,灯台や宇宙船の発電装置として使われている。携帯電話・モバイルコンピュータや自動車への応用も注目されている。

 

燃料電池

名   称

燃料(負極)

電 解 質

酸化剤(正極)

アルカリ性電解液燃料電池

H2  (CH3OHN2H4)

KOH

02

酸性電解質燃料電池

H2  (CH3OH)

H3PO4  (H2SO4)

02  (空気) 

高分子電解質燃料電池

H2  (CO,炭化水素)

Li2CO3K2CO3  (Na2CO3)

02CO2

固体電解質燃料電池

H2  (CO,炭化水素)

ZrO2CaO  (Y2O3)

02  (空気)

 

 

 

 








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