ダニエル電池

質問

Ｃu電極におけるＣu＾２＋が存在しないとどのような事が起こるんですか？考えられる反応式を書いて説明を御願いします

回答No.1

ht1914

質問内容がわかりづらいです。もう少し、丁寧に疑問点を書いていただいた方が誤解が生じることも少ないです。高校生ですか。これもわからないと書きにくいです。

電池のことについて教科書とは違う書き方をしてみます。高校生だとして書きます。

硫酸銅水溶液の入った試験管があります。その中に亜鉛の粒を入れます。亜鉛の表面に銅が付着してきます。付着している銅が剥がれて新しい面が出る工夫をしておきますと反応が継続します。そのうちに初めの硫酸銅溶液の青い色が薄くなっていること、亜鉛の粒が小さくなっていることに気がつくようになります。習っているはずです。反応の仕組みは電子のやりとりです。酸化・還元の単元でやっていると思います。反応の方向はイオン化傾向で説明されているでしょう。（これは化学メッキの原理ですから現場にいる人もよく知っておられるはずです。）
イオン反応式はＣｕ＾２＋＋Ｚｎ→Ｃｕ＋Ｚｎ＾２＋です。この時ＺｎからＣｕ＾２＋に電子が移動しています。これを別個に書くとＺｎ→Ｚｎ＾２＋＋２ｅ＾－、Ｃｕ２＋＋２ｅ＾－→Ｃｕです。この電子のやりとりはＺｎの表面で起こっています。電子のやりとりは外に出てきません。この電子のやりとりを外の回路に取り出すにはどの様にしたらいいでしょうか。「酸化・還元に伴う電子の移動を外部回路に取り出して利用する装置」が電池です。化学電池といわれているものです。この場合の主役は亜鉛と銅イオンです。他の物は関係ありません。条件を実現するための補佐役です。外部回路に取り出すためには電極を付けて回路を作らなくてはいけません。亜鉛の表面で反応が起こっていては外に取り出せませんので直接反応を禁止しないと駄目です。硫酸銅水溶液と亜鉛が接触しないようにします。そこで隔壁を入れます。亜鉛の溶けていく液体が必要です。水だけだと駄目です。電解質溶液が要ります。どうせ亜鉛が溶けていくのだからという理由で硫酸亜鉛の水溶液を使います。（食塩水でも電流は流れます。銅イオンと亜鉛の反応を邪魔しないものであれば何でもいいです。）
隔壁には小さな穴が空いています。イオンが移動して電荷の分布が偏るのを防ぎます。（穴が空いていますから硫酸銅水溶液と亜鉛の接触を完全に断つ事は出来ません。色んな工夫がされています。）電極を入れて電線でつながないといけませんがどうせ金属亜鉛を使うのだから片方は亜鉛板をそのまま電極にします。もう一つは銅イオンが銅に戻ってくるのを効率よく受け止めることが出来たら何でもいいことになります。炭素棒でもいいです。でも電線の材料は銅ですから銅板を使えば都合がいいです。銅板の上に銅が出てくるというのは紛れもないです。これがダニエル電池です。ボルタ電池の改良版として出てきましたが反応の仕組みは全く別物です。亜鉛板は反応物質と電極を兼ねています。銅板は電極としての働きだけです。（よく亜鉛は電子を出す。銅は電子をもらう、だから亜鉛は酸化、銅は還元だと書いてある本があります。間違いです。電子をもらって変化しているのは銅イオンです。銅は変化していません。銅板は導体（電線）としての働きです。「酸化・還元」は「電子を出すこと・電子をもらうこと」ではなく「電子を出して変化すること・電子をもらって変化すること」です。）
銅イオンと亜鉛が主役ですから銅イオンがなければダニエル電池ではありません。でも銅イオンの代わりに亜鉛からの電子を受け取ることが出来るものがあれば起電力は生じます。でもそれは別の電池です。（質問の意味が不明瞭だと言ったのはこれが理由です。質問された方も銅イオンではなく銅板が電池の主役だと考えていると判断できそうです。これは丁寧に説明しないと伝わらないと思って長い回答を書きました。）

参考１
最初の電池はボルタ電池であると言われています。でも安定した電流を流し続けることが出来るということで言えばダニエル電池が最初です。電圧は約１Ｖで安定しています。だから電圧の単位としてダニエル電池を基準にしました。でも単位の名前はボルタ電池から来ています。仕組みは違うのに改良型だと理解されていたからでしょう。それは銅板と亜鉛板が反応の主役だと思われていたからです。Ｃｕと書けば化合物の銅は含まないはずです。表面に銅の化合物が付着していては駄目です。普通ボルタ電池といわれているものでは銅＝Ｃｕと考えていません。（銅＝Ｃｕだとしてボルタ電池の解説をしている本が殆どですが混乱しています。起電力が０．７Ｖしかでてこないはずなのに１Ｖが観測されるというのに困ってしまっています。）銅板の表面が銅の化合物で覆われている時の電池の仕組みはダニエル電池と同じになります。昔は銅と銅の化合物の区別ををしていませんでした。（亜鉛の場合に表面に亜鉛の化合物がついていても気にしなくても良いという理由は自分で考えて下さい。）

参考２
　磨いた銅板と亜鉛板、希硫酸で作った電池はモーターをせいぜい数分間しか回すことが出来ません。銅板、亜鉛板、硫酸銅水溶液、硫酸亜鉛水溶液、で素焼きの植木鉢を隔壁に用いたものは数時間持ちます。