このページのまとめ
- ボルタ電池は、亜鉛と銅の電極を使い、酸化還元反応で電流を発生させる。
- 亜鉛は酸化され、電子を放出し、銅では水素イオンが還元されて水素ガスが発生する。
- 分極は、銅電極に水素ガスが溜まり、電流が流れにくくなる現象。
- 分極を防ぐために脱極剤を使う方法がある。
～先生と生徒の会話～
生徒ボルタ電池は初めての化学電池だって聞いたんですが、具体的にどんな仕組みで電気が発生しているんですか？
先生ボルタ電池は、亜鉛（Zn）と銅（Cu）の2種類の金属板を使っているんだ。この2つの金属は「電極」として働いて、それぞれの金属で異なる化学反応が起こるんだよ。亜鉛は、酸化反応を起こして電子を放出する。つまり、亜鉛が溶け出してZn²⁺のイオンになり、残った電子が電極に残るんだ。この放出された電子が外部回路を通って銅電極に流れることで、電流が発生するんだよ。
生徒亜鉛が電子を放出するんですね！じゃあ、銅の方では何が起きているんですか？
先生銅電極では還元反応が起こっているんだ。ボルタ電池では、電解液として希硫酸（H₂SO₄）が使われることが多いんだけど、この希硫酸中の水素イオン（H⁺）が銅電極に到達し、そこで電子を受け取って水素ガス（H₂）として発生するんだ。つまり、銅の方ではH⁺が電子を受け取って還元されているんだね。この一連の流れが続くことで、亜鉛から銅へと電子が移動し続け、電流が流れるんだよ。
生徒なるほど！亜鉛から銅に電子が移動して電気が流れるんですね。でも、分極っていう現象が起こると聞いたことがあります。それはどうしてですか？
先生分極は、ボルタ電池を使っているときに水素ガスが銅電極の表面に溜まってしまう現象なんだ。通常は、水素イオン（H⁺）が銅電極で電子を受け取って水素ガスとして発生するんだけど、この水素ガスが銅電極の表面に留まってしまうと、銅の本来の電気的な役割が妨げられてしまうんだ。つまり、電流が流れにくくなってしまう。これが分極だよ。
生徒分極が起こると、電池の性能が下がってしまうんですね。どうやってこの分極を防げるんですか？
先生一つの方法は、「脱極剤」という物質を使うことだよ。たとえば、マンガン酸化物（MnO₂）や硝酸銀（AgNO₃）などの物質を使うことで、水素ガスを酸化して溶液中に戻し、分極を防ぐことができる。また、ボルタ電池の改良版であるダニエル電池では、この分極の問題を解決するために電解質を分けて塩橋を使っているんだ。これにより、水素ガスの発生を抑え、長時間にわたって安定した電流が流れるように設計されているんだよ。
生徒改良されているんですね！ボルタ電池は歴史的な発明だけど、こうした課題があったんですね。
先生そうなんだ。ボルタ電池は素晴らしい発明だけど、やはり実用面では改善が必要だった。でも、その改良のおかげで、現代の電池技術の基礎が築かれたんだ。化学反応によって電流を生み出すという発想が、このボルタ電池から始まったんだよ。
例題＆解答
【例題１】
ボルタ電池で、亜鉛電極で起こる反応を示しなさい。
【解答】
Zn → Zn²⁺ + 2e⁻（酸化反応）
【例題２】
ボルタ電池で分極が起こる理由を説明しなさい。
【解答】
分極は、銅電極で発生した水素ガスが表面に溜まり、電流の流れを妨げるために起こる。
