ボルタ電池とは（仕組み・分極の原理など）

東大塾長の山田です。

このページではボルタ電池について解説しています。

この記事を見れば覚えておくべき知識をしっかりマスターすることができます。是非参考にしてください。

1. 電池

1.1 電池とは？

化学変化（酸化還元反応）にともなって放出される化学エネルギーを熱エネルギーや光エネルギーではなく、直接電気エネルギーに変換して取り出す装置のことを電池（化学電池）といいます。電池には、化学変化を利用する化学電池の他に、物理現象を利用する物理電池（太陽電池や原子力電池など）もあります。

1.2 負極と正極

電池において、導線に向かって電子が流れ出す電極（金属または炭素）のことを負極といい、導線から電子が流れ込む電極のことを正極といいます。

負極と正極

負極‥導線に向かって電子が流れ出す電極

正極‥導線から電子が流れ込む電極

つまり、負極側では電子を放出する変化、すなわち、物質が酸化する反応、正極側では電子を受け取る変化、すなわち、物質が還元される反応が起こります。よって、負極側には酸化される物質（還元剤）があり、この物質のことを負極活物質といい、正極側には還元される物質（酸化剤）があり、この物質のことを正極活物質といいます。

電池の負極側と正極側で起こる反応

負極側‥還元剤（負極活物質）があり、酸化反応が起こる。

正極側‥酸化剤（正極活物質）があり、還元反応が起こる。

1.3 電流と起電力

これまで述べたことをまとめると、電池は、酸化還元反応が酸化と還元に分かれて別々の場所で行われ、酸化剤と還元剤の間での電子の授受を導線を経由させることで、導線中に電子の流れを導きエネルギーを電流として外部に取り出せるようにしたものです。

電子は1.2で述べたことをもとに考えると、負極から正極に向かって電子は流れます。一方で、電流は電子とは逆の向きに流れていきます。つまり、正極から負極に電流は流れます。

電池は、負極側に還元剤、正極側に酸化剤があり、両者が互いに電解液で結ばれています。

2. ボルタ電池

1800年ごろにイタリアのボルタによって発明された、亜鉛\(Zn\)板と銅\(Cu\)板を希硫酸\(H_2SO_4\)中に浸した電池をボルタ電池といいます。これは史上最初の電池です。

2.1 ボルタ電池の仕組み

まず、ボルタ電池の仕組みについて解説していきましょう。

【ボルタ電池の仕組み】

①　イオン化傾向の大きい金属板が溶ける。

希硫酸\(H_2SO_4\)中に亜鉛\(Zn\)板と銅\(Cu\)板を浸したときに、イオン化傾向が大きい方の金属板が溶け出します。亜鉛\(Zn\)と銅\(Cu\)では、イオン化傾向は亜鉛\(Zn\)の方が大きくなります。（イオン化傾向については、「イオン化傾向とは（覚え方・電池・金属と腐食・大きさの表）」の記事で詳しく解説しているので参照してください。）したがって、亜鉛\(Zn\)板が溶け出します。

このとき、亜鉛\(Zn\)が、酸化されて亜鉛イオン\(Zn^{2+}\)になり電子を放出します。すなわち、亜鉛\(Zn\)板は電子を放出する電極（負極）になります。負極で起こっている反応は次のようになります。

\(Zn →Zn^{2+} + 2e^-\)

②　①で発生した電子がもう片方の金属板の方へ流れる。

次に、①で発生した電子\(e^-\)が銅\(Cu\)板側に流れ込みます。

このとき、電子が通過することで（電流が発生し）豆電球が点灯します。

③　流れてきた\(e^-\)が溶液中のイオン化傾向の小さい陽イオンとくっつく。

銅\(Cu\)板では、電解液中の水素イオン\(H^+\)が流れてきた電子\(e^-\)を受け取り、還元され水素\(H_2\)になります。すなわち、\(Cu\)板は電子を受け取る電極（正極）になります。正極で起こっている反応は次のようになります。

\(2H^+ + 2e^- →H_2\)

以上①～③がボルタ電池の仕組みです。

ボルタ電池の構成を表す電子式は次のとおりです。

\(（－） Zn | H_2SO_4 aq | Cu（+）\)

また、この電池全体では次の酸化還元反応が起こります。

\(Zn + 2H^+ →Zn^{2+} + H_2\)

2.2 ボルタ電池の欠点

2.1で説明したようにボルタ電池は正極で水素\(H_2\)を発生します。ボルタ電池を使い続けるとこの\(H_2\)が銅\(Cu\)板のまわりに溜まってきてしまいます。

溜まった\(H_2\)が、水溶液中の\(H^+\)が負極から流れてきた電子\(e^-\)を受け取るのを妨害します。これが原因で、電子の受け渡しに不具合が生じて電圧が急激に低下します。実際に、この電池に起電力は約\(1.1V\)ありますが、電流を流し始めるとすぐに電圧が下がり始めやがて\(0.4V\)程度まで低下します。このような起電力の低下のことを分極といいます。

このような欠点があったため、ボルタ電池は実用化されませんでした。