【中学3年理科】化学電池・燃料電池のポイントとイオン化傾向

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イオンで登場する化学電池は、定期テストや高校入試でも超頻出の単元になります。イオン化傾向を必要な分だけ覚えて、電池を完璧にマスターしましょう。また、水素と酸素を使った電池である燃料電池のつくりも解説します。

電池とは

電池(化学電池)を使ったことは誰でもありますよね。この化学電池は、仕組みさえわかれば誰でも簡単に作ることができます。まずは、化学電池の仕組みを説明します。

化学電池とは、化学変化により化学エネルギー電気エネルギーに変換してとり出す装置です。乾電池や燃料電池なども同じように、化学変化により化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出しています。

化学電池

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化学電池をつくるには?

化学電池をつくるには次の2つの物質が必要です。

  • 2種類の異なる金属
  • 電解質が溶けた水溶液

まずは、2種類の異なる金属ですが、鉄と銅、亜鉛とマグネシウムなど2種類の金属であれば電池として電流をとり出すことができます。イオン化傾向の違いを利用しているのですね。

次に、電解質が溶けた水溶液ですが、塩酸や食塩水など、水に溶かすと電流を流す物質が溶けていれば何でも構いません。電池に使用できない水溶液は、非電解質が溶けている水溶液です。非電解質は次の3つを覚えておけば大丈夫です

  • 砂糖水
  • エタノール
  • デンプンのり
電解質・非電解質とは?電解質と非電解質の種類と電離のしくみ!

ここまでのポイントをまとめておきます。

化学電池のポイント!❶化学変化で化学エネルギーを電気エネルギーに変換している!
❷2種類の異なる金属と電解質が溶けた水溶液があれば電池になる!
❸非電解質は3つ覚える!砂糖・エタノール・デンプン!

化学電池の仕組み

2種類の異なる金属を電解質が溶けた水溶液に入れると、次のような化学変化が生じます。ここでは、亜鉛板と銅板を使ったボルタ電池というもっとも単純な電池を学習します。

化学電池

  1. 銅Cuよりも亜鉛Znの方がイオン化傾向が大きいので、亜鉛Znが電子2個放出し亜鉛イオンZn²⁺になりうすい塩酸中に溶ける
    Zn→Zn²⁺+2e⁻
  2. 電子e⁻が導線を通って、亜鉛板から銅板に移動する。
  3. 塩酸中の水素イオンH⁺が銅板にやってきた電子を受けとり水素原子Hに戻る。
  4. 水素原子Hが2個結びついて水素分子H₂になって銅板から水素が発生する。
    2H⁺+2e⁻→H₂

金属板のうち、亜鉛板は水溶液に溶けるのでぼろぼろになります。一方の銅板からは水素が発生するので表面に気泡がつきます

電子と電流

化学電池として電流をとり出しているとき、電子と電流の向きは次のようになります。

  • 電子亜鉛板から銅板
    イオン化傾向が大きい金属板(亜鉛板)からイオン化傾向が小さい金属板(銅板)に電子が移動
  • 電流銅板から亜鉛板
    電流は+極(銅板)から-極(亜鉛板)に向かって流れる

イオン化傾向

化学電池で電流をとり出す仕組みをもっと理解するには、イオン化傾向という金属のイオンへのなりやすさ、いいかえると金属のとけやすさを理解する必要があります。以下に紹介するイオン化傾向は、高校の化学で必要ですが高校入試レベルではすべて覚える必要はありません。参考までに紹介します。

金属のイオン化傾向

覚え方は、貸そうかな まああてにすんな ひどすぎる 借金があります。イオン化傾向が大きい金属ほどイオンになりやすく、溶けやすい金属になります。

一方のイオン化傾向が小さい金属は、イオンになりにくく化学変化も起こしにくい金属です。化学変化しにくいということは酸化もしにくく、ずっと輝きを保ち続ける高価な金属でもあります。

中学校で覚えるべきイオン化傾向は次の内容になります。ここまで覚えると、高校受験の難しい問題にも対応ができます。

マグアルアエンテツドウ

化学電池ときたら「イオン化傾向」。そしてイオン化傾向の覚え方が『マグアルアエンテツドウ』です。「曲がるから会えない鉄道」→「まが~るあえんてつどう」→「マグアルアエンテツドウ」→Mg(マグネシウム)Al(アルミニウム)Zn(亜鉛)Fe(鉄)Cu(銅)無理やりですが、これで覚えましょう。

イオン化傾向1

イオン化傾向が大きい金属は、イオンに成りたがろうとする金属で、水溶液中に溶けだしぼろぼろになっていく金属です。

一方のイオン化金属が小さい金属は、イオンになりたがらない金属で、化学変化を起こしません。これをふまえて、もう一度化学電池を見ていきましょう。

亜鉛と銅の化学電池

最もテストや入試に登場する金属の組み合わせが、亜鉛です。このときイオン化傾向を考えると、亜鉛Znの方がイオンになりやすく、銅Cuの方がイオンになりにくいことがわかります。

イオン化傾向2

亜鉛
化学式 Zn Cu
イオン化傾向 大きい 小さい
表面の変化 ぼろぼろになる 泡(水素)発生
-極 +極

一次電池と二次電池

電池が電流を流す現象を放電といいます。化学エネルギーが電気エネルギーに変わります。それとは逆に電池に電流を流して、電気エネルギーを化学エネルギーに変えることを充電といいます。

一次電池

一次電池とは、放電だけできる電池で充電ができない電池です。つまり使い切りの電池になります。一次電池の例として、次の電池を覚えておきましょう。

  • マンガン乾電池
  • アルカリマンガン乾電池
  • 酸化銀電池

二次電池

二次電池とは、充電ができる電池です。電池に電流を流すことで電圧が復活し、繰り返し使えるのです。二次電池の例として、次の電池を覚えておきましょう。

  • 鉛蓄電池
  • リチウムイオン電池
  • ニッケル水素電池

次は電池の中でもクリーンな電池である燃料電池について学習します。

燃料電池とは

燃料電池とは、水素と酸素が反応し水ができる化学変化を利用した電池で、化学エネルギー電気エネルギーに変換する装置です。しくみは水の電気分解の逆の反応を起こし発電していることになります。

燃料電池

燃料電池の利点は、電気エネルギーをとり出した後に水しか発生しないということがあげられます。実際にスペースシャトルなどでも利用されており、発生した水は飲み水などにも利用されています。非常にクリーンな発電方法で、次世代のエネルギー資源として期待されています。

燃料電池の化学反応式

燃料電池は、水素H₂と酸素O₂が反応し、水ができるときに電気エネルギーを得る装置です。したがって、化学反応式は水素の燃焼と同じ反応式になります。

  • 水素+酸素→水+電気エネルギー
  • 2H₂+O₂→2H₂O

化学反応式の係数は、反応する気体の体積比にもなっているので、水素と酸素は体積比2:1で反応します。

水の電気分解の逆

燃料電池とあわせて出題されるのは、水の電気分解です。中学2年の化学変化で学習しました。

小さな電圧で電気分解ができるように、水酸化ナトリウムを溶かした水に電極を差し込み電流を流すと、陽極から酸素陰極から水素が発生します。

  • +電気エネルギー→水素+酸素
  • 2H₂O→2H₂+O₂

出題の内容としては、水を電気分解し、発生した水素と酸素を使って燃料電池の装置をつくるという流れが多いようです。化学反応式の右辺と左辺が逆になりますので、燃料電池と電気分解のどちらの化学反応式をかけといっているのかしっかりと確認してください。

燃料電池を少し詳しく説明

燃料電池では、どのように電気がつくりだされるのか少しだけ詳しくみてみましょう。どのよう水素と酸素が使われ、電子がどのように移動するのかを確認します。発展内容なので、飛ばしても構いません。

  1. 水素が-極に触れ電子を離し、水素イオンに変化する
    H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
  2. -極で取り出された電子が、+極へ移動します。このとき電流は+極から-極に流れます。
  3. -極で電子を失った水素イオンは、電解質が溶けた水溶液の中に入り+極で電子を受けとり酸素と化合し水になります。
    2H⁺ + 2e⁻ + 1/2O₂ → H₂O

上記のイオン反応式を合体させると、燃料電池の化学反応式ができます。

  • 2H₂+O₂→2H₂O

このように、燃料電池は水素と酸素が反応し、水ができる過程で電気を発生させる装置になります。

化学電池・燃料電池の確認問題

  1. 化学変化により化学エネルギーを電気エネルギーに変化する装置を何というか。
  2. 塩酸に次の組み合わせの板を入れたとき、電池として電流が流れるものをすべて選べ。
    ア 銅と銅  イ ガラスと鉄  ウ 亜鉛と銅  エ 鉄と鉄  オ 銅と鉄
  3. 次の水溶液のうち電池として電流が取り出せる水溶液をすべて選べ。
    ア 蒸留水  イ アンモニア水  ウ 食塩水  エ 砂糖水  オ エタノール
  4. 金属のイオンへのなりやすさを何というか。
  5. 次の金属の中で、イオン化傾向が一番大きい金属を選べ。
    ア 鉄  イ マグネシウム  ウ 銅  エ 亜鉛  オ アルミニウム
  6. うすい塩酸に亜鉛板と銅板を入れて電池をつくったとき、水素が発生するのはどちらの金属板か。
  7. 6のとき、電子は亜鉛板と銅板のどちらからどちらに移動しているか。
  8. 6のとき、亜鉛板と銅板のどちらが+極になっているか。
  9. 6のとき、水溶液中に増加していくイオンは何イオンか。イオン式で書け。
  10. 電池から電流が流れる現象を何というか。
  11. 二次電池とはどのような電池か
  12. 水素と酸素から電気エネルギーをとり出す仕組みを何というか。
  13. 1では電気をとり出した後、何ができるか。
  14. 1で電気をとり出しているときの化学変化を化学反応式で書け。
  15. 水の電気分解の化学反応式をかけ。
  16. 水の電気分解で、陽極から発生する気体は何か。

解答

  1. 化学電池
  2. ウ、オ
  3. イ、ウ
  4. イオン化傾向
  5. 銅板
  6. 亜鉛板から銅板
  7. 銅板
  8. Zn²⁺
  9. 放電
  10. 充電ができる電池。
  11. 燃料電池
  12. 2H₂+O₂→2H₂O
  13. 2H₂O→2H₂+O₂
  14. 酸素

【練習問題❶】化学電池

化学電池問題図のように、うすい塩酸の中に亜鉛板と銅板を入れ、モーターに接続したところ、モーターが一定の方向に回転した。これについて、次の各問いに答えなさい。

(1)図の装置では、化学変化を利用して、( ① )エネルギーを( ② )エネルギーに変換している。①と②のエネルギーを答えなさい。

(2)図のように化学変化を利用して電流を取り出す装置を何というか。

(3)図の装置でモーターが回転しているとき、電流の向きとして正しいものはaとbのどちらか。記号で答えなさい。

(4)次の文は、図の装置に電流が流れる仕組みについて説明したものである。文中の亜①、②の{ }の中からそれぞれ適当なものを選び、記号で答えなさい。また、( ③ )と( ④ )にあてはまる数字や語句をそれぞれ答えなさい。

うすい塩酸の中で、①{ア:亜鉛板 イ:銅板}は②{ア:陽イオン イ:陰イオン}になって溶け出す。このとき放出された電子は、導線を通ってもう一方の金属板に移動する。そして、その金属板の表面で、水溶液中の( ③ )イオンが、移動してきた電子を受けとり( ③ )原子となり、その原子が( ④ )個結びついて分子となって金属板の表面から発生する。

(5)うすい塩酸の代わりに、次のア~エの液体を使った場合、モーターが回転するものをすべて選び、記号で答えなさい。
ア 砂糖水  イ 食塩水  ウ エタノール  エ 水酸化ナトリウム

(6)実験の電池は、充電ができない一次電池に分類される。これとは別に充電して繰り返し使える二次電池もある。下の中から二次電池になるものをすべて選び、記号で答えよ。
ア アルカリ乾電池  イ 鉛蓄電池  ウ ニッケル水素電池  エ マンガン乾電池

【解答・解説❶】化学電池

(1)①化学 ②電気
化学電池は、化学変化によって化学エネルギーを電気エネルギーに変化する装置です。

化学電池とは化学変化で化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置!

(2)化学電池(電池)
化学電池では、電解質水溶液に2種類の異なる金属を入れることで化学変化を起こし、電流を取り出しています。

(3)
亜鉛板と銅板で、イオン化傾向が大きな金属は亜鉛板、小さな金属は銅板です。イオン化傾向が大きな亜鉛は、水溶液中に溶けだし電子を放出します。この電子が導線を移動するので、亜鉛板は-極になります。電流は電子が移動する向きとは逆向きになるので、銅板から亜鉛板に流れます。したがって、電流の向きはaになります。

化学電池とイオン化傾向イオン化傾向2

(4)① ② ③水素 ④
イオン化傾向が大きな亜鉛板がうすい塩酸に溶けだし、電子を放出します。放出された電子は導線を通り、銅板に移動し、銅板の表面で塩酸中の水素イオンが電子を受けとり、水素原子に戻り、水素原子が2個結びつき水素分子となって発生します。

(5)イ、エ
電解質が溶けた水溶液なら何でも大丈夫です。非電解質を覚えておきましょう。

非電解質次の物質が解けた水溶液は電池にできない!
❶砂糖
❷エタノール
❸デンプン

(6)イ、ウ
充電ができ繰り返し使える電池が二次電池です。一次電池と二次電池は以下のものを覚えておけば十分でしょう。

一次電池と二次電池・一次電池…アルカリ電池、アルカリマンガン電池、酸化銀電池
・二次電池…鉛蓄電池、リチウム電池、ニッケル水素電池

【練習問題❷】イオン化傾向と化学電池

イオン化傾向問題図のように、発泡ポリスチレンの板に金属板Aと金属板Bを差し込み、うすい塩酸の中に入れた。この金属板に導線をつけ、電子オルゴールに接続し、電子オルゴールが鳴るか調べた。このとき使った金属板の組み合わせは下の通りである。次の各問いに答えなさい。

金属板A 金属板B
実験1
実験2 亜鉛
実験3 アルミニウム 亜鉛
実験4 マグネシウム

(1)実験1~実験4の組み合わせで、電子オルゴールが鳴るものはどれか。すべて選び実験番号で答えなさい。

(2)(1)の中で、最も大きな音で電子オルゴールが鳴ったものはどれか。実験番号で答えなさい。

(3)実験1~実験4で、電子オルゴールの音が鳴っているとき、金属板Aと金属板Bのどちらから泡が発生しているか。また、発生している泡は何という気体か。気体の名称を答えなさい。

(4)実験1~実験4で、電子オルゴールの音が鳴っているとき、電子は金属板Aと金属板Bのどちらからどちらに移動しているか。

(5)実験1~実験4の組み合わせで、電子オルゴールとの接続を逆にすると音が鳴るものはどれか。実験番号で答えなさい。

【解答・解説❷】イオン化傾向と化学電池

(1)実験3、実験4
金属のイオン化傾向は、Mg>Al>Zn>Fe>Cuの順になります。マグネシウムが最もイオンになりやすく、銅がもっともイオンになりにくいです。イオン化傾向の異なる金属を電解質水溶液である塩酸に入れると、イオン化傾向の大きな金属が溶けてイオンになります。このとき、電子を放出します。放出された電子は導線を通り、もう一方の金属板にやってきます。この電子を水溶液中の水素イオンH⁺が受けとり、イオン化傾向の小さな金属からは水素が発生します。電子オルゴールは、電池の+極と+端子、電池の-極と-端子が接続されているときに音が鳴ります。

イオン化傾向イオン化傾向2

(2)実験4
イオン化傾向の差が大きな金属の組み合わせのとき、最も大きな電圧が生じます。したがって、MgとCuの組み合わせになります。

(3)金属板:B 気体:水素
イオン化傾向の大きな金属が溶けてイオンになり、イオン化傾向の小さな金属からは水素が発生します。電子オルゴールが鳴っている実験は3と4で、金属板Bの方に、イオン化傾向が小さい金属があります。

(4)金属板Aから金属板B
金属板Aがイオン化傾向が大きい金属で、金属が溶け電子を放出しています。

(5)実験2
実験2の金属でイオン化傾向が大きい金属は亜鉛、小さい金属は銅です。

【練習問題❸】燃料電池

燃料電池問題右図のように、簡易電気分解装置に水酸化ナトリウムを溶かした水を入れ電源装置で電圧をかけると、それぞれの電極から気体が発生した。これについて、以下の各問いに答えなさい。

(1)水に水酸化ナトリウムを溶かす理由を簡潔に答えよ。

(2)図の電源装置で、+極になるのはアとイのどちらか。

(3)図の簡易電気分解装置で発生した気体Aと同じ気体を発生させる方法として正しいものを、下のア~エの
中から一つ選び、記号で答えよ。
ア 石灰石にうすい塩酸を加える
イ 二酸化マンガンにオキシドールを加える
ウ 亜鉛にうすい塩酸を加える
エ 塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱する

(4)図の簡易電気分解装置で発生した気体Bを調べる方法とその結果を、簡潔に答えよ。

(5)次に、簡易電気分解装置から電源装置を外し、電子オルゴールをつなげた。電子オルゴールの音が鳴っているとき、簡易電気分解装置の中で起こっている化学変化を、化学反応式で表せ。

(6)水の電気分解で発生した物質で電流を得る装置を何というか。名称を書け。

【解答・解説❸】燃料電池

(1)小さな電圧で水に電流を流すため。
純粋な水には電流が流れません。水酸化ナトリウムを水に溶かす理由は、小さな電圧で電気分解を進めるためで、電流を流しやすくするという目的があります。

(2)
水の電気分解では、陽極に酸素、陰極に水素が発生します。発生する気体の体積比は、酸素:水素=1:2となります。したがって、発生した量が少ないアが陽極で、酸素が発生しています。

(3)
水の電気分解で多く発生する気体は水素です。陰極から発生します。選択肢で水素が発生するのは、金属の亜鉛を塩酸に入れているウになります。アは二酸化炭素、イは酸素、エはアンモニアが発生します。

覚える!気体の発生方法
❶石灰石(炭酸カルシウム)にうすい塩酸→二酸化炭素
❷二酸化マンガンにうすい過酸化水素水(オキシドール)→酸素
❸亜鉛(金属)にうすい塩酸→水素
❹塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱→アンモニア

(4)2H₂+O₂→2H₂O
発生した水素と酸素を反応させ、水ができるときに電気エネルギーが放出されます。電流を取り出しているとき、水の電気分解とは逆の反応が起こっています。

燃料電池水素+酸素→水+電気エネルギー

(5)燃料電池
水素と酸素を反応させ、水ができるときに電流を取り出す装置を燃料電池といいます。燃料電池では、電流を取り出した後に水しか残らないので、クリーンなエネルギー源になります

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