最初に知られている電池は、1800 年にアレッサンドロ ボルタ (1745 ～ 1827) によって開発されました。下の図に見られるように、この電池は金属亜鉛と銅の板が点在し、電流を流す電解液に浸した綿で分割されて構成されていました。つまり、亜鉛によって失われた電子が銅に伝導されます。 各プレートは電極であり、これら 2 枚のプレートと綿の各セットはセルまたは電解セルと呼ばれました。
?
しかし、ボルタ社が使用していた電解液は酸性で有毒ガスが発生するため非常に危険でした。そこで、1836 年に英国の化学者ジョン フレデリック ダニエル (1790 ～ 1845 年)はこの発見を改良し、ダニエル パイルとして知られるようになった新しい、リスクの少ないタイプの電池を作成しました。
イギリスの化学者、気象学者、ジョン・フレデリック・ダニエル (1790-1845)
彼は次のことを行いました。容器の中で硫酸亜鉛 (ZnSO 4 ) の溶液に亜鉛シートを置きました。別の容器に硫酸銅 (CuSO 4 ) の溶液に銅箔を入れました。このようにして、亜鉛電極と銅電極を作成しました。これらの電極のそれぞれは、セミセルと呼ばれます。
酸化還元反応は、後で説明するように、化学種間の電子の授受を伴い、各系で個別に発生します。しかし、この方法では、電子の移動を利用して電流を生成し、たとえば電球を点灯することはできませんでした。したがって、彼はこれら 2 つの電極を接続する外部回路を配置し、中央に小さなランプを置きました。
さらに、彼は硫酸銅と硫酸亜鉛の溶液を塩橋で接続し、イオン移動を通じて半電池を電気的に中性に保つ役割を果たしました。塩橋がないと、系の両側に過剰な正電荷が存在し、反応が途中で停止してしまいます。
塩橋は、硫酸カリウム (K 2 SO 4 )、硝酸ナトリウム (NaNO 3 )、硝酸アンモニウム (NH 4 NO 3 )、または塩化カリウム (KCl) の溶液を入れた U 字型のガラス管です。
以下の Daniell スタック図を見てください。
時間の経過とともに、亜鉛板が腐食し、銅板の質量が増加する一方、青色だった硫酸銅溶液が無色になることが観察されました。
これは、電極間で電子の移動が起こる酸化還元反応によって起こりました。これがどのように起こるかを見てください:
- ダニエル細胞の仕組み:
* アノード (亜鉛プレート) –亜鉛金属は銅よりも酸化電位が高いため、銅の電極に伝導される 2 つの電子を失います。その結果、金属亜鉛（Zn 0 (s) ）は酸化を受けて亜鉛カチオン（Zn 2+ (aq) ）に変化し、溶液中に残ります。これが、時間の経過とともに亜鉛プレートの質量が減少し、硫酸亜鉛溶液中の Zn 2+カチオンの量が増加する理由です。
したがって、亜鉛板は酸化が起こる電池の陰極であり、アノードと呼ばれます。
アノード半反応: Zn ( s) ↔ Zn 2+ (aq) + 2 e –
* カソード (銅板) –金属銅は亜鉛よりも還元電位が大きいため、亜鉛が失った 2 つの電子を受け取ります。その結果、硫酸銅溶液中にあった銅陽イオン（Cu 2+ (aq) ）が還元を受けて金属銅（Cu 0 (s) ）に変化し、プレート上に堆積します。これが、時間の経過とともに銅板の質量が増加する理由です。さらに、硫酸銅溶液の青色は Cu 2+イオンの存在によるものです。溶液中で減少すると、時間の経過とともに色が透明になります。
このように、銅板はバッテリーの正極となり、還元が起こり、カソードと呼ばれます。
カソード半反応: Cu 2+ (aq) + 2 e – ↔ Cu ( s)
全体的なスタック反応: Cu 2+ (aq) + Zn ( s) ↔ Zn 2+ (aq) + Cu ( s)
ダニエルセルの化学表記または表現は次のように行われます。
亜鉛 / 亜鉛2+ // 銅2+ / 銅
このテーマに関するビデオレッスンをぜひご覧ください。