この章で学ぶこと
第 5 章は、 第 4 章 「水溶液 と イオン」 を受け、 「化学変化 と 電池」 を学びます。 イオン がやりとりする 電子 が、 電気エネルギー を生み出すしくみを知ります。
- 酸化 と 還元 (電子 のやりとり) を知る
- 酸化還元反応 が同時に起こることを理解 する
- 電池 の基本のしくみを知る
- ボルタ電池 と ダニエル電池 のちがいを知る
- 燃料電池 のしくみと環境価値 を知る
- 金属 の イオン化傾向 で反応 の強さを比較 できる
- 一次電池 と 二次電池 のちがいを知る
- 電池 の 短絡 と 廃棄 の安全を学ぶ
ポイント: 「電池」 とは、 「化学変化 (酸化還元) を利用 して 電気エネルギー を取り出す装置」 です。 中 2 で学んだ 「電流」 が、 化学 とつながります。
1. 酸化と還元
酸化とは
物質が 酸素 と結びつく 反応、 または 電子 を失う 反応 を 酸化 と言います。
還元とは
物質から 酸素 が取り除かれる 反応、 または 電子 を受け取る 反応 を 還元 と言います。
酸化と還元は同時に起こる
酸化 が起こるとき、 必ず 還元 も同時に起こります。 これを 酸化還元反応 と言います。
| 反応例 | 酸化 された物 | 還元 された物 |
|---|
| 2CuO + C → 2Cu + CO₂ | C (酸素 と結合) | CuO (酸素 を失う) |
| 2Mg + O₂ → 2MgO | Mg (酸素 と結合) | — (O₂ も 還元 と見る) |
| Fe + S → FeS | Fe (電子 を失う) | S (電子 を受け取る) |
| Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu | Zn (電子 を失う) | Cu²⁺ (電子 を受け取る) |
電子で見る酸化還元
酸化 と 還元 を 電子 で見ると、 とても分かりやすくなります。
| 反応 | 電子 の動き |
|---|
| 酸化 | 電子 を 失う (e⁻ を出す) |
| 還元 | 電子 を 受け取る (e⁻ をもらう) |
例: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (亜鉛 が 酸化 されて 電子 を出す)
例: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (銅イオンが 還元 されて 電子 を受け取る)
大事: 中学では 「酸素 の出入り」 で説明 されることが多いですが、 高校では 「電子 の出入り」 で統一します。 中 3 から 電子 で考える 癖をつけましょう。
2. 金属のイオン化傾向
イオン化傾向とは
金属 が 陽イオン になりやすさ を イオン化傾向 と言います。
主な金属のイオン化傾向 (大きい順)
| 順位 | 金属 | 反応性 |
|---|
| 1 | K (カリウム) | 非常に強い |
| 2 | Ca (カルシウム) | 強い |
| 3 | Na (ナトリウム) | 強い |
| 4 | Mg (マグネシウム) | やや強い |
| 5 | Al (アルミニウム) | やや強い |
| 6 | Zn (亜鉛) | 中 |
| 7 | Fe (鉄) | 中 |
| 8 | Ni (ニッケル) | 弱め |
| 9 | Sn (スズ) | 弱め |
| 10 | Pb (鉛) | 弱め |
| 11 | (H) (水素) | 基準 |
| 12 | Cu (銅) | 弱い |
| 13 | Hg (水銀) | 弱い |
| 14 | Ag (銀) | 弱い |
| 15 | Au (金) | ほぼ反応しない |
イオン化傾向の使い方
| 比較 | 結果 |
|---|
| Zn と Cu²⁺ (硫酸銅水溶液) | Zn の方が イオン化傾向大 → Zn が溶け、 Cu が析出 |
| Cu と Ag⁺ (硝酸銀水溶液) | Cu の方が イオン化傾向大 → Cu が溶け、 Ag が析出 |
| Au と HCl | Au の イオン化傾向 が小さい → 反応しない |
ポイント: イオン化傾向 が 大きい金属 ほど 「陽イオン になりやすく = 酸化されやすい」。 この性質 を利用 して 電池 が作れます。
3. 電池のしくみ
電池とは
電池 とは、 「化学変化 (酸化還元) を利用 して 電気エネルギー を取り出す装置」 です。
電池の基本構成
| 要素 | 役割 |
|---|
| 負極 (マイナス極) | 電子 を 出す (酸化 される方) |
| 正極 (プラス極) | 電子 を 受け取る (還元 される方) |
| 電解液 | イオン を通す水溶液 |
| 導線 | 電子 が流れる道 |
電子と電流の向き
- 電子 は 負極 → 導線 → 正極 の向きに動く
- 電流 はその 逆、 正極 → 導線 → 負極 の向きと定義される (歴史的な約束)
大事: 電子 と 電流 は 逆向き です。 これは中 2 でも出てきました。 中 3 では 「負極 で 酸化、 正極 で 還元」 が起こるとセットで覚えましょう。
4. ボルタ電池とダニエル電池
ボルタの電堆 (Voltaic pile) — 亜鉛 と銅の板の間に食塩水をしみ込ませた布をはさみ、 何段も積み重ねた世界初の電池 (1800 年)。 ボルタ電池 の原型。
ボルタ電池
1800 年にイタリアの ボルタ が作った世界初の 電池。
| 要素 | 内容 |
|---|
| 負極 | 亜鉛 (Zn) |
| 正極 | 銅 (Cu) |
| 電解液 | うすい 硫酸 (H₂SO₄) |
| 負極 の反応 | Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (酸化) |
| 正極 の反応 | 2H⁺ + 2e⁻ → H₂ (還元) |
問題点: 正極 で 水素 気体 が銅板について電流を妨げる (分極)。 すぐ弱くなる。
ダニエル電池
ダニエル電池 — 亜鉛板を 硫酸亜鉛水溶液 に、 銅板を 硫酸銅水溶液 に入れ、 素焼 き板 (隔膜) で仕切 る。 ボルタ電池 の弱点 (分極) を解消し、 安定 して長時間電流 を取り出せる。
1836 年にイギリスの ダニエル がボルタ電池 を改良した電池。
| 要素 | 内容 |
|---|
| 負極 | 亜鉛 (Zn) |
| 正極 | 銅 (Cu) |
| 負極側電解液 | 硫酸亜鉛 (ZnSO₄) 水溶液 |
| 正極側電解液 | 硫酸銅 (CuSO₄) 水溶液 |
| セロハン や 素焼き板 | 両電解液 を分け、 イオン だけ通す |
| 負極 の反応 | Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (酸化) |
| 正極 の反応 | Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (還元) |
ポイント: ダニエル電池 は 正極 で 銅 が析出するだけで 気体が発生しない ため、 ボルタ電池 よりも 安定 して長持ち します。
ボルタとダニエルの比較
| 比較項目 | ボルタ電池 | ダニエル電池 |
|---|
| 発明年 | 1800 年 | 1836 年 |
| 電解液 | 1 種 (うすい 硫酸) | 2 種 (ZnSO₄ と CuSO₄) |
| 負極 の物質 | 亜鉛 | 亜鉛 |
| 正極 の物質 | 銅 | 銅 |
| 正極 での反応 | 水素 が発生 | 銅が析出 |
| 安定性 | 弱い (分極) | 安定 |
5. 一次電池と二次電池
一次電池と二次電池
| 種類 | 性質 | 例 |
|---|
| 一次電池 | 1 回使い切り、 充電 できない | マンガン乾電池、 アルカリ乾電池、 リチウム 電池 (ボタン) |
| 二次電池 (蓄電池) | 充電 して 何度も使える | ニッケル水素電池、 リチウムイオン 電池、 鉛蓄電池 |
主な電池の種類
| 電池 | 種類 | 用途 |
|---|
| マンガン乾電池 | 一次 | リモコン、 時計 |
| アルカリ乾電池 | 一次 | 強力機器 (ライト等) |
| リチウム 電池 (ボタン) | 一次 | 腕時計 |
| 鉛蓄電池 | 二次 | 自動車 バッテリー |
| ニッケル水素電池 | 二次 | 充電式単三電池 |
| リチウムイオン 電池 | 二次 | スマホ、 ノート PC、 EV (電気自動車) |
| 燃料電池 | (連続供給) | 燃料電池自動車 (FCV) |
二次電池の仕組み
充電 とは、 電池 に 逆向きの 電流 を流して、 化学反応 を 逆戻し することです。
| 状態 | 化学反応 |
|---|
| 放電 (使う) | 元の物質 → 反応後の物質 |
| 充電 | 反応後の物質 → 元の物質 |
6. 燃料電池
燃料電池とは
燃料電池 は、 水素 (H₂) と 酸素 (O₂) を化学反応 させて 電気 を作る装置。 反応後に出るのは 水だけ なので、 環境 にやさしい 電池 として注目 されています。
燃料電池の反応
| 場所 | 反応 |
|---|
| 負極 (水素側) | 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻ |
| 正極 (酸素側) | O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O |
| 全体 | 2H₂ + O₂ → 2H₂O |
燃料電池の特徴
| 特徴 | くわしく |
|---|
| 反応後の排出物 | 水 (H₂O) だけ |
| 二酸化炭素排出 | 0 (走行時) |
| 効率 | 高い (60 % 以上のことも) |
| 燃料 | 水素 H₂ |
| 課題 | 水素 の製造 と貯蔵、 充填 インフラ |
用途
| 用途 | 例 |
|---|
| 燃料電池自動車 | トヨタ MIRAI、 ホンダ CLARITY |
| 家庭用燃料電池 | エネファーム |
| 業務用電源 | 病院、 データセンターのバックアップ |
| 宇宙開発 | アポロ計画で採用 |
7. 安全配慮とふりかえり
電池の取扱い注意
電池 は化学反応 を含むため、 取扱いを誤ると 発熱・漏液・爆発 の危険 があります。
| 場面 | 危険 | 対策 |
|---|
| 電池 の 短絡 (ショート) | 発熱、 発火、 漏液 | プラスとマイナスを 直接つながない (金属 で結ぶなど厳禁) |
| 電池 を 逆向き に入れる | 発熱、 漏液 | プラス・マイナスを確認 してから入れる |
| 混在 (新 + 古、 種類違い) | 漏液、 性能低下 | 同じ種類・新しさで揃える |
| 電池 を火に入れる | 爆発 | 絶対に火に入れない |
| 電池 を分解する | 薬品 が漏れる | 絶対に分解しない |
| 使用済みを普通 ごみに | 火災・環境汚染 | 電池回収ボックス に出す |
化学実験の安全
| 場面 | 危険 | 対策 |
|---|
| ボルタ・ダニエル電池 の製作 | うすい 硫酸・銅イオン水溶液 | 保護メガネ 必須、 服に付けない |
| 金属 と 薬品 の反応 | 水素 気体発生 (爆発性) | 換気、 火を近づけない |
| 燃料電池 の実験 | 水素 の取扱い | 必ず先生と、 火気厳禁 |
廃棄ルール
| 電池 の種類 | 廃棄方法 |
|---|
| 乾電池 (マンガン・アルカリ) | 電池回収ボックス (ホームセンター・スーパー) |
| ボタン 電池 | 電池回収ボックス (販売店) |
| リチウムイオン 電池 | 資源回収 (発火の危険 あり、 専用ルート) |
| 自動車 バッテリー (鉛蓄電池) | カーショップ・ガソリンスタンド |
大事: 電池 を 普通 ごみに出す と、 ごみ収集車や処理場で 発火 する事故が増えています。 必ず 回収ボックス に出しましょう。
この章のふりかえり
この章の安全配慮
- 電池 の 短絡 (プラスとマイナスを直接結ぶ) を 絶対にしない
- 電池 を 火に入れない、 分解しない
- 使用済み 電池 は 回収ボックス に出す (普通 ごみ厳禁)
- 電池製作 実験 で 保護メガネ 必須、 服に薬品 を付けない
- 水素 が発生する反応 は 火気厳禁、 必ず 換気
- 実験後の 薬品 は流しに捨てず、 必ず 先生の指示 に従う
次の章: 中 3 理科後半では、 化学 から 生物 (細胞分裂・遺伝) と 地学 (太陽系・宇宙) に進みます。 中 1・中 2 で学んだ 「身の回りの自然」 が、 「生命 の連続性」 と 「宇宙 の中の地球」 につながる章です。
まとめ — 化学変化と 電池 を 3 行で
- 電池 は 酸化還元反応 (電子のやりとり) を利用して化学エネルギーを 電気エネルギー に変換する装置である
- ボルタ電池 ・ダニエル電池 では イオン化傾向 の大きい金属が 負極 で酸化され、 小さい金属が 正極 で還元される
- 一次電池 (使い切り) と 二次電池 (充電可能) があり、 燃料電池 は 2H₂ + O₂ → 2H₂O で水しか生じない環境に優しい電源である
