２　電池のしくみか

【金属のイオン化傾向】

金属の原子がイオンになるときは，自身がもつ電子を放出して〔　陽　〕イオンになるが，金属の種類によって，陽イオンになりやすいものとなりにくいものがある。これを金属の〔　イオン化傾向　〕という。陽イオンになりやすいものほど，イオン化傾向が　〔　大き　〕いという。主な金属をイオン化傾向の大きい順（電子を放出しやすく，陽イオンになりやすい順）に並べたものを〔　イオン化列　〕という。イオン化傾向のより大きな金属は，塩酸などに溶けて（反応して）陽イオンになりやすい。

【電池のしくみ】

電池とは，〔　電解質　〕の溶液に〔　2　〕種類の金属を電極として浸し導線でつないで，電流を発生させる装置である。電極に用いる2種類の金属のうち，イオン化傾向が大きい金属が〔　負　〕極，小さい金属が〔　正　〕極となる。

例）硫酸H₂SO₄水溶液に亜鉛Zn板と銅Cu板を浸した電池

水溶液中には硫酸が電離しているので，〔　H^＋　〕と〔　SO₄^2－　〕が存在する。ZnとCuでは，イオン化列より〔　Zn　〕の方がイオンになりやすいので，Znが〔　負　〕極，Cuが〔　正　〕極となる。Znは〔　Zn^2＋　〕になると同時に〔　電子　〕が放出される（図中①）。電子は導線を通ってCu板上に来る（図中②）。Cu板上に到達した電子を受け取るのは陽イオンである〔　H^＋　〕で，電子を受け取り，〔　H₂　〕となる（図中③）。これにより，電子は一方的に〔　負　〕極から〔　正　〕極へ流れ，電池となる。また電流は〔　電子　〕の流れであるが，「正極から負極へ流れる」と定義されているので，電子の流れとは逆になる。

電池の活物質

　電池の負極，正極ではイオンが生成したり，イオンが電子を受け取ったりしている。それぞれの電極で反応している物質を〔　活物質　〕という。硫酸H₂SO₄水溶液に亜鉛Zn板と銅Cu板を浸した電池では，負極の活物質は〔　亜鉛　〕であり，正極の活物質は〔　水素イオン　〕である。

　負極は電極自身が活物質になるが，正極は溶液中の陽イオンが電子を受け取る場所でしかない。そのため，正極はイオンにはならない（または，なりにくい）が電気を通すものが使われる。そのため，正極には〔　炭素　〕なども使うことができ，炭素棒を正極にした電池が日常的に使われている〔　乾電池　〕である。乾電池は，電解質が固体にしみ込ませた電池である。

例題

次の金属の組合せで電池をつくった場合に，電子が流れる向きを例にならって答えよ。イオン化列は前述のものを参照せよ。　例　Zn　→　Cu

(1)　CuとAl　　(2)　MgとAg　　(3)　ZnとAg　　(4)　FeとMg　　(5)　PbとCu

(1)　イオン化傾向　Al>Cu　…　Alが負極　　　　Al→Cu

(2)　イオン化傾向　Mg＞Ag　…　Mgが負極　　　Mg→Ag

(3)　イオン化傾向　Zn>Ag　…　Znが負極　　　　Zn→Ag

(4)　イオン化傾向　Mg＞Fe　…　Mgが負極　　　Mg→Fe

(5)　イオン化傾向　Pb＞Cu　…　Pbが負極　　　Pb→Cu

問題演習

1　下の図にように，亜鉛Zn板と銅Cu板を電極として，硫酸H₂SO₄水溶液に浸し電池を作成した。考察の空欄に適当な語句を記入せよ。

結果　  

考察

　亜鉛板は硫酸に溶けたことから，〔　電子　〕を放出して〔　亜鉛　〕イオンとなって溶液中に溶け込んだと考えられる。また，電子は導線を通って銅板上に到達し，そこで陽イオンに受け取られるので，この場合，硫酸の電離によって大量に生じる〔　水素イオン　〕が電子を受け取ると考えられる。このことから，H₂O₂がないときに銅板上に付着した気泡は〔　水素　〕であることが分かる。

　H₂O₂はO原子を多く持つ化合物（酸化物）なので，〔　酸化　〕作用がある。H₂O₂を加えたとき，銅板上の気泡が減少したのは水素が〔　酸化　〕され〔　水　〕に変わったためと考えられる。

豆電球の付き方の違いは，銅板上の気泡の量の違いと相関があり，気泡は銅板上で極板を覆ってしまい〔　水素イオン　〕が電子を受け取るのを妨害しているためであると推測できる。そのため，H₂O₂の添加によって点灯したと考えられる。

2　Mg，Fe，Ag，Cu，Caのイオン化傾向の大きさを調べるため，次の実験を行った。考察の空欄に適当な語句を記入せよ。

操作1　全ての金属を別々に塩酸に入れた。

操作2　全ての金属を別々に常温の水に入れた。

操作3　全ての金属を別々に熱水に入れた。

操作1～3の結果より，次の実験を行った。

操作4　Ag^＋（Agのイオン）を含む水溶液にCuの小片を入れた。

操作5　Cu^2＋（Cuのイオン）を含む水溶液にAgの小片を入れた。

考察

　金属は，イオン化傾向が大きい金属ほど，容易に電子を放出して陽イオンになるので，酸の水溶液や水に溶け（反応して）陽イオンになりやすい。

操作1の結果から，Mg，Fe，Caのイオン化傾向はAg，Cuよりも〔　大き　〕いことが判明した。操作2の結果より，水はより温度が高い方が高エネルギーであることから，常温の水に溶けたCaは，低エネルギーで溶けていることになるので，Mg，Feよりもイオン化傾向が〔　大き　〕いことが分かる。また，操作3の結果から，高温の水にも溶けなかったFeはMgよりもイオン化傾向が〔　小さ　〕いと判断できる。

　操作4の結果から，Cuの表面にAg^＋だったAgが金属として現れたのは，次のことが考えられる。

① 〔　Cu　〕が電子を放出して，〔　Cu^2＋　〕になった。

② 　その電子を〔　Ag⁺　〕が受け取って〔　Ag　〕に変わった。

また，操作5で反応が見られなかったことから，AgとCuでイオン化傾向が大きいのは〔　Cu　〕であることが分かる。

これらの結果より，イオン化傾向は，〔　Ca　〕＞〔　Mg　〕＞〔　Fe　〕＞〔　Cu　〕＞〔　Ag　〕であることが分かる。