ガルバニ電池またはボルタ電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電気化学電池です。これは、細胞内で発生する酸化還元反応によって生成されるエネルギーを利用することによって達成されます。この操作を詳しく理解するには、まず酸化還元反応とは何かを理解する必要があります。
レドックス反応とは?
「レドックス」という言葉は、「還元酸化」の略です。組み合わせ句は、電子を交換するために同時に発生する 2 つの化学反応を表します。電子を失った反応物は酸化されたと言われ、これらとまったく同じ電子を獲得した反応物は還元されたと言われます。一方が他方を引き起こすことに注意してください。「レドックス」反応にその名前が付けられているのは、この反応の因果関係です。
これは、レドックス反応を説明する簡単な実験です。
ビーカーには硫酸銅 (CuSo4) の溶液が入っており、その中に亜鉛のストリップが浸されています。銅は亜鉛よりも電気陰性度が高いため、電子を引き付けて負の銅イオンを形成する傾向が大きくなります。ストリップが溶液に浸されるとすぐに、銅イオン (Cu2+) が亜鉛の電子を捕捉して銅原子 (Cu) を形成し、ストリップ上に茶色がかった層として堆積します。電子は亜鉛イオン (Zn2+) になり、溶液に溶解します。反応の終わりに、ストリップは重くなり、溶液は亜鉛で満たされます.
金属間の素早い反応で、銅は電子を得ると還元され、亜鉛は電子を失うと酸化されます (OIL RIG を思い出してください)。電気は単なる電子の流れです。反応で交換される電子は、たとえば電球に電力を供給するために使用できますが、これはビーカーでは実現できません。ビーカー内の電子は不注意に分散されているためです。それらを活用するには、銅に捕らえられる前に、電球内のすべての電子をルーティングする必要があります。これは 1 つではなく 2 つのビーカーで達成できます。
ガルバニ電池図
ここで、ガルバニ電池を表すこの装置について考えてみましょう。
最初のビーカーには硫酸亜鉛 (ZnSO4) が入っており、その中に亜鉛のストリップが浸されています。隣接するビーカーには、硫酸銅 (CuSO4) に銅のストリップが浸されています。ただし、2 つのストリップは、電球に接続された導体である外部回路によって接続されています。
このセルは、発明者である物理学者ルイジ・ガルバーニにちなんで「ガルバニック」と名付けられました。 1780 年、ガルバーニは、2 つの異なる金属の一方の端を互いに接続し、もう一方の端をカエルの脚で接続すると、脚が収縮し、電気の流れを示すことを実証しました。彼は自分のばかげた装置を「動物回路」と呼んだ。しかし、ガルバーニに挑戦するために、アレッサンドロ・ボルタは、単一の生物学的要素なしで同じ細胞を開発しました.これは信じられないほどの成果であり、このため「ガルバニック」と「ボルタニック」は同義語として使用されています。
回路は機能していたが、発明者は理由について間違っていた 彼らが働いていました。ガルバーニはカエルが原因であると信じていましたが、ボルタはそれが孤立した金属の特性であると信じていました.電気エネルギーが化学反応から得られること、電圧源が純粋に化学的であることを最終的に認識したのはファラデーでした。現在電気および電子の専門用語を形成している用語を作り出したのはファラデーでした:彼が 電極 - カソードとアノード と呼んだ金属です。 、それらが浸された溶液を彼は電解質と呼びました。 そして、彼が ions と呼んだ関連するエンティティ – 陽イオンと陰イオン .
亜鉛と銅の電極がそれぞれの硫酸塩電解質に浸されるとすぐに、酸化還元反応が始まります。銅が亜鉛の電子を誘い始めます。単一のビーカー実験で起こったのと同じように、最初のビーカーの亜鉛原子は酸化され、電子を失って亜鉛イオンになり、硫酸亜鉛溶液に溶解します.隣接するビーカー内の銅イオンは、これらの電子を獲得して銅原子になるにつれて還元され、ストリップに堆積します。
ただし、2 つのビーカーは物理的に分離されていますが、電極は外部導体によって接続されています。電子は、分散するのではなく、この導体を介して銅電極に送られます。しかし、この導体の上に電球が乗っているため、電子は銅ストリップに到達する前に電球を通過するしかありません。亜鉛電極は、電子を供給するため、バッテリーのアノードまたはマイナス端子であり、電子を引き付けるか受け取る銅電極は、バッテリーのカソードまたはプラス端子です。 1 つの金属が他の金属 (または非金属) から電子を盗むようにバインドされているため、電気陰性度によって回路の電流の方向が決まります。
(写真提供:ウィキメディア・コモンズ)
ただし、ラベルは標準規則に準拠しています。電池の陽極である亜鉛ストリップは、読者を混乱させるかもしれませんが、酸化により電子が奪われているため、実際には正ですが、電池の陰極である銅ストリップは、割引。亜鉛は正の電極です。 しかし、負の 端末 一方、銅は負の 電極 です。 しかし正のターミナル .この区別は重要です。
塩橋とは?
電子が導体を通って正常に流れるようになったとしても、回路がまだ不完全であるため、電球は光りません。回路を完成させるのは図のチューブで、その脚は両方のビーカーに浸されています。これを塩橋といいます。塩橋は、電子が移動できない塩で構成される多孔質物質ですが、陽イオンと陰イオンは移動できます。電子の流れを禁止することにより、プロセスへの参加や干渉から自動的に除外されます。その唯一の目的は、イオンを交換して回路を完成させることです。
亜鉛が酸化し、亜鉛陽イオンとして溶液に溶解すると、亜鉛陽イオンはブリッジを横切り、隣接するビーカーに入ります。そこでは、還元される前に硫酸銅溶液を形成する硫酸アニオンと混合された銅カチオンを置換することにより、硫酸亜鉛を形成します。同様に、銅陽イオンが還元されて銅原子が形成されると、残った硫酸陰イオンがブリッジを通過して最初のビーカーに入ります。そこで酸化亜鉛カチオンと結合して硫酸亜鉛を形成します。交換により、反応のバランスが保たれるか、回路が完成します。ガルバニ電池または多孔性塩橋で接続された 2 つのビーカーの表現は、さらに次のように縮小できます。
還元反応と酸化反応は 2 つの異なるビーカーで物理的に分離して発生するため、各ビーカーまたはユニットはハーフセルと呼ばれます。電子の流れの方向が特異であるため、電圧の性質は DC です。この DC 電圧の大きさは、2 つのハーフセルの電圧の算術差です。この差は、電解質への 2 つの電極の溶解の容易さの相対的な尺度を示します。したがって、電圧は電極 と の両方の特性の関数です。 電解質。電圧は純粋に化学的であることを忘れないでください - もう一度言及する価値があります.
今日のバッテリーは、ガルバニ電池を 1 つではなく、2 つまたは 2 つを直列に接続しています。通常、12V のバッテリーは 6 個のガルバニ電池で構成されています。電池は、陰イオン全体が電解質に溶解し、陽イオン全体が電極に沈着したときに「死にます」。すべてのバッテリーが亜鉛、銅、およびそれらの硫酸塩を電極および電解質として使用しているわけではないことに注意してください。必要なのは、電極の電気陰性度の違いです.
電池の大部分は、実際には、それぞれ陽極と陰極として鉛と酸化鉛をベースにしています。塩橋でさえ、必ずしも金属が形成するのと同じ塩で構成されている必要はありません.反応のバランスをとるために必要な数の陽イオンと陰イオンを提供する必要があるだけです。この例では、カリウムで構成されている場合、亜鉛の 1 つの陽イオンに対してカリウムの 2 つの陽イオンを提供します。
ガルバニ電池と電解電池
最後に、一度死んだガルバニ電池は復活したり再充電したりすることはできません。これが、目覚まし時計やリモコンの電池を時々交換しなければならない理由です。再充電できる電気化学セルの種類は、電解セルです。電解セルも、電極が浸された電解液で満たされた 2 つのビーカーで構成されますが、電気エネルギーを化学エネルギーに変換するというガルバニ電池の動作とは完全に逆になります。
電極は、外部回路を介して電源に接続されます。ただし、このソースによって生成される電位は、酸化還元反応によって生成される電位よりも大きくなります。さらに、ソースは 反対側 にインストールされます 方向。したがって、その大きな電位の結果として、入ってくる電子の力に打ち勝ち、方向を反転させます。次に、電子が銅ストリップから亜鉛ストリップに流れ、銅が酸化され、亜鉛が還元されます。このように、酸化還元反応から電流を生成するガルバニ電池とは異なり、電解電池は電流を使用して酸化還元反応を駆動します。後で、バッテリーを電球と交換して、セルをガルバニックにし、完全に充電するだけです。
