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

電池の原理とダニエル電池

リモコンや懐中電灯に入れる乾電池は、使い切ったら捨てるしかない(一次電池)。一方、スマートフォンやノートパソコンのバッテリーは、何度も充電して繰り返し使える(二次電池)。この違いは、電池の中で起きている化学反応が「一方通行」か「逆向きにも進められる」かの違いによる。

そもそも電池は、金属が電子を放出したり受け取ったりする反応(酸化還元反応)を利用して、化学エネルギーを電気エネルギーに変えている装置。イオン化傾向の異なる2種類の金属を組み合わせることで、電子の流れ(電流)を作り出している。

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

❌ よくある誤解

誤:電池の中では電子が電解液の中を移動して負極から正極へ流れる正:電子は外部回路(導線)を通って負極から正極へ流れる。電解液中を移動するのはイオン(電荷を運ぶ役割)であり、電子ではない

「導線の中=電子が移動」「電解液・塩橋の中=イオンが移動」と、電荷の運び手を区別して覚える。

誤:電流の向きと電子の流れる向きは同じ正:電流の向きは電子の流れと反対向きと定義されている(電流は正極→外部回路→負極、電子は負極→外部回路→正極)

電流の向きの定義は電子が発見される前に決められた歴史的経緯によるもので、電子の流れとは逆になる。

💡 なぜ亜鉛と銅を組み合わせると電流が流れるのか? 亜鉛は銅よりもイオン化傾向が大きく、陽イオンになりやすい(電子を手放しやすい)性質を持つ。そのため亜鉛が電子を放出してZn²⁺として溶け出し(酸化)、放出された電子が導線を通って銅電極側に流れ、そこでCu²⁺が電子を受け取ってCuとして析出する(還元)。このイオン化傾向の差が、電子を流す「押し出す力」すなわち起電力の源になる。

電池の起電力は、正極と負極それぞれの標準電極電位 E°(水素電極を基準0Vとした電位)の差で求められる:起電力 = E°(正極) − E°(負極)。大学範囲・入試頻出

半反応	標準電極電位 E°
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn	−0.76 V
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu	+0.34 V

ダニエル電池の起電力 = E°(Cu²⁺/Cu) − E°(Zn²⁺/Zn) = 0.34 − (−0.76) = 1.10 V。これは実測値ともよく一致する。

🎯 入試での問われ方標準電極電位の表を与えて、任意の2種類の金属を組み合わせた電池の起電力・正極負極を判定させる問題が頻出。イオン化傾向の大小関係と標準電極電位の大小関係が対応することを理解しておくと計算が速い。

鉛蓄電池と燃料電池

自動車のエンジンをかけるときに使われるバッテリーは、100年以上前から使われている鉛蓄電池という電池。重くてかさばるが、大きな電流を安定して取り出せるため今でも自動車用として広く使われている。使うと電圧が下がるが、車の発電機で充電すればまた使える。

一方、水素と酸素を反応させて電気を作る燃料電池は、ロケットや燃料電池自動車(FCV)などで使われている。排出されるのは水だけというクリーンな発電方法として注目されている。

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）

❌ よくある誤解

誤:鉛蓄電池は放電しても電極の質量は変化しない正:放電が進むとPb・PbO₂がどちらも(水に溶けにくい)PbSO₄に変化して電極表面に付着するため、両極とも質量が増加する

電極反応式を見ると、負極(Pb→PbSO₄)・正極(PbO₂→PbSO₄)ともにモル質量の大きい物質に変わっており、質量保存の観点から両極の質量が増えることを確認できる。

誤:燃料電池は「電池」という名前だが、電気を蓄える(充電する)装置である正:燃料電池は水素・酸素などの燃料を外部から供給し続けることで発電し続ける発電装置であり、電気を蓄えるものではない

乾電池・鉛蓄電池のように内部に反応物を蓄えているのではなく、燃料を供給し続ける限り発電を続けられる点が根本的に異なる。

💡 なぜ鉛蓄電池は充電で元に戻せるのか? 放電時にできるPbSO₄は電極表面に付着したまま残るため、外部電源から逆向きに電流を流す(充電する)と、電極反応が逆方向に進んでPbSO₄がもとのPbやPbO₂に戻る。このように反応生成物が失われずに電極上に留まる系だからこそ、繰り返し充放電できる「二次電池」として機能する。

🎯 練習問題

まず自分で解いてから、「答えを見る」を押して確かめよう。

問1 ★ ダニエル電池

ダニエル電池で、正極になる金属は亜鉛と銅のどちらか。

答えを見る

答え銅

イオン化傾向が小さいほうの金属が正極になる。

問2 ★ 一次電池と二次電池

次のうち、充電してくり返し使える二次電池はどれか。

アマンガン乾電池
イアルカリ乾電池
ウ鉛蓄電池

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答えウ

鉛蓄電池やリチウムイオン電池は、充電できる二次電池。

問3 ★★ 起電力

標準電極電位が、Ag⁺ + e⁻ → Ag は +0.80 V、Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn は −0.76 V である。亜鉛を負極、銀を正極とする電池の起電力は何Vか。

答えを見る

答え1.56 V

起電力 = 正極の標準電極電位 − 負極の標準電極電位。

問4 ★★ 鉛蓄電池

鉛蓄電池の放電の反応は Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O で表される。鉛 Pb が 1 mol 反応するとき、消費される硫酸は何molか。

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答え2 mol

係数の比より Pb：H₂SO₄ = 1：2。

問5 ★★ 燃料電池

燃料電池の負極では H₂ → 2H⁺ + 2e⁻ の反応が起こる。水素 0.50 mol が反応したとき、流れる電子は何molか。有効数字2桁で答えよ。

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答え1.0 mol

H₂ 1 mol から電子が 2 mol 出る。

問6 ★★★ 鉛蓄電池の極の質量変化

鉛蓄電池を放電すると、負極では Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻ の反応が起こる。電子が 0.20 mol 流れたとき、負極の質量は何g増加するか。SO₄ の式量は96とする。

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答え9.6 g

Pb 0.10 mol が PbSO₄ になる。増えるのは SO₄ の分で、0.10 × 96。

✅ 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(標準電極電位の差から計算可能)
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。両極とも質量増加
燃料電池：2H₂ + O₂ → 2H₂O の反応エネルギーを電気に変換。CO₂ 排出なし。燃料供給が必要

前：反応エンタルピーとヘスの法則次：電気分解

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