高校化学
Unit 06
電池
酸化還元反応をどうやって電気に変える？電池の原理をダニエル電池・鉛蓄電池・燃料電池で理解しよう。
⚡ 電池の原理🔋 ダニエル電池🔌 鉛蓄電池・燃料電池
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電池の原理とダニエル電池
電池は酸化還元反応のエネルギーを電気エネルギーに変換する装置。負極で酸化（電子を放出）、正極で還元（電子を受け取る）が起こる。ダニエル電池は亜鉛と銅を用いた典型的な一次電池で、電池の基本原理を学ぶのに最適。
図1：ダニエル電池の模式図。負極の Zn が溶解して電子を外部回路へ送り、正極で Cu²⁺ が還元されて Cu が析出する。
⚡ 電池の基本用語
| 用語 | 定義・説明 |
|---|---|
| 負極 | 酸化が起こる極（電子を放出・電流は正極から流れ込む） |
| 正極 | 還元が起こる極（電子を受け取る） |
| 塩橋 | 両槽の電荷バランスを保つためにイオンが移動する通路 |
| 起電力 [V] | 電池が生み出す電位差（正極と負極の標準電極電位の差） |
| 一次電池 | 放電のみ（充電不可）。マンガン電池・アルカリ乾電池 |
| 二次電池 | 充放電を繰り返せる。鉛蓄電池・リチウムイオン電池 |
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鉛蓄電池と燃料電池
鉛蓄電池は充放電を繰り返せる二次電池の代表例。放電時には Pb と PbO₂ が反応し PbSO₄ を生成。充電時は逆方向に電極反応が進む。燃料電池は水素と酸素を反応させ水を生成する際の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。
🔋 鉛蓄電池の電極反応（放電時）
| 極 | 電極材料 | 電極反応式 |
|---|---|---|
| 負極 | Pb（鉛板） | Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻ |
| 正極 | PbO₂（酸化鉛板） | PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O |
| 全体 | 希H₂SO₄が電解液 | Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O |
🔥 燃料電池（リン酸型）の電極反応
| 極 | 燃料 | 電極反応式 |
|---|---|---|
| 負極（燃料極） | H₂ を供給 | H₂ → 2H⁺ + 2e⁻ |
| 正極（空気極） | O₂ を供給 | ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O |
| 全体 | — | H₂ + ½O₂ → H₂O（廃棄物は水のみ） |
✅ この単元のまとめ
- 電池：酸化還元反応 → 電気エネルギー変換；負極で酸化・正極で還元
- ダニエル電池：Zn（負極）/ ZnSO₄ ‖ CuSO₄ / Cu（正極）、起電力 1.1 V
- 一次電池（充電不可）：マンガン・アルカリ乾電池など
- 二次電池（充放電可）：鉛蓄電池・リチウムイオン電池など
- 鉛蓄電池：放電で Pb, PbO₂ が PbSO₄ に。充電でもとに戻る
- 燃料電池：H₂ + O₂ → H₂O の反応エネルギーを電気に変換。CO₂ 排出なし
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