メインコンテンツへスキップ
‹ 教材一覧に戻る
理科 3年

化学かがく変化へんかと電池でんち

最終確認日:

この章しょうで学まなぶこと

第だい 5 章しょうは、 第だい 4 章しょう 「水溶液すいようえきとイオンいおん」 を受うけ、 「化か学がく変へん化かと電池でんち」 を学まなびます。 イオンいおんがやりとりする 電子でんし が、 電気エネルギーでんきえねるぎーを生うみ出だすしくみを知しります。

  • 酸化さんか と 還元かんげん (電子でんしのやりとり) を知しる
  • 酸化還元反応さんかかんげんはんのう が同時どうじに起おこることを理り解かいする
  • 電池でんち の基本きほんのしくみを知しる
  • ボルタ電池ボルタでんち と ダニエル電池ダニエルでんち のちがいを知しる
  • 燃料電池ねんりょうでんち のしくみと環境かんきょう価か値ちを知しる
  • 金かね属ぞくの イオン化傾向イオンかけいこう で反はん応のうの強つよさを比ひ較かくできる
  • 一次電池いちじでんち と 二次電池にじでんち のちがいを知しる
  • 電池でんちの 短絡たんらく と 廃棄はいき の安全あんぜんを学まなぶ

ポイント: 「電池でんち」 とは、 「化か学がく変へん化か (酸化さんか還元かんげん) を利り用ようして電気エネルギーでんきえねるぎーを取とり出だす装そう置ち」 です。 中なか 2 で学まなんだ 「電流でんりゅう」 が、 化か学がくとつながります。

1. 酸化さんかと還元かんげん

酸化さんかとは

物質ぶっしつが 酸素さんそと結むすびつく 反応はんのう、 または 電子でんしを失うしなう 反はん応のうを 酸化さんか と言いいます。

還元かんげんとは

物質ぶっしつから 酸素さんそが取とり除のぞかれる 反はん応のう、 または 電子でんしを受うけ取とる 反はん応のうを 還元かんげん と言いいます。

酸化さんかと還元かんげんは同時どうじに起おこる

酸化さんかが起おこるとき、 必かならず 還元かんげんも同時どうじに起おこります。 これを 酸化還元反応さんかかんげんはんのう と言いいます。

反応はんのう例れい酸化さんかされた物もの還元かんげんされた物もの
2CuO + C → 2Cu + CO₂C (酸素さんそと結合けつごう)CuO (酸素さんそを失うしなう)
2Mg + O₂ → 2MgOMg (酸素さんそと結合けつごう)— (O₂ も還元かんげんと見みる)
Fe + S → FeSFe (電子でんしを失うしなう)S (電子でんしを受うけ取とる)
Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + CuZn (電子でんしを失うしなう)Cu²⁺ (電子でんしを受うけ取とる)

電子でんしで見みる酸化さんか還元かんげん

酸化さんかと還元かんげんを 電子でんし で見みると、 とても分わかりやすくなります。

反応はんのう電子でんしの動うごき
酸化さんか電子でんしを 失うしなう (e⁻ を出だす)
還元かんげん電子でんしを 受うけ取とる (e⁻ をもらう)

例れい: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (亜あ鉛えんが酸化さんかされて電子でんしを出だす) 例れい: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (銅どうイオンが還元かんげんされて電子でんしを受うけ取とる)

大事だいじ: 中学ちゅうがくでは 「酸素さんその出入でいり」 で説せつ明めいされることが多おおいですが、 高校こうこうでは 「電子でんしの出入でいり」 で統一とういつします。 中なか 3 から 電子でんしで考かんがえる 癖くせをつけましょう。

2. 金属きんぞくのイオン化か傾向けいこう

イオン化か傾向けいこうとは

金かね属ぞくが 陽イオンようイオンになりやすさ を イオン化傾向イオンかけいこう と言いいます。

主おもな金属きんぞくのイオン化か傾向けいこう (大おおきい順じゅん)

順位じゅんい金属きんぞく反応はんのう性せい
1K (カリウム)非常ひじょうに強つよい
2Ca (カルシウム)強つよい
3Na (ナトリウム)強つよい
4Mg (マグネシウム)やや強つよい
5Al (アルミニウム)やや強つよい
6Zn (亜あ鉛えん)中なか
7Fe (鉄てつ)中なか
8Ni (ニッケル)弱よわめ
9Sn (スズ)弱よわめ
10Pb (鉛なまり)弱よわめ
11(H) (水すい素そ)基準きじゅん
12Cu (銅どう)弱よわい
13Hg (水すい銀ぎん)弱よわい
14Ag (銀ぎん)弱よわい
15Au (金きん)ほぼ反応はんのうしない

イオン化か傾向けいこうの使つかい方かた

比ひ較かく結果けっか
Zn と Cu²⁺ (硫りゅう酸さん銅水溶よう液えき)Zn の方ほうがイオン化傾向イオンかけいこう大 → Zn が溶とけ、 Cu が析出せきしゅつ
Cu と Ag⁺ (硝しょう酸さん銀水溶よう液えき)Cu の方ほうがイオン化傾向イオンかけいこう大 → Cu が溶とけ、 Ag が析出せきしゅつ
Au と HClAu のイオン化傾向イオンかけいこうが小ちいさい → 反応はんのうしない

ポイント: イオン化傾向イオンかけいこうが 大おおきい金きん属ぞく ほど 「陽イオンようイオンになりやすく = 酸化さんかされやすい」。 この性せい質しつを利り用ようして電池でんちが作つくれます。

3. 電池でんちのしくみ

電池でんちとは

電池でんち とは、 「化か学がく変へん化か (酸化さんか還元かんげん) を利り用ようして電気エネルギーでんきえねるぎーを取とり出だす装そう置ち」 です。

電池でんちの基本きほん構成こうせい

要素ようそ役割やくわり
負極ふきょく (マイナス極きょく)電子でんしを 出だす (酸化さんかされる方かた)
正極せいきょく (プラス極きょく)電子でんしを 受うけ取とる (還元かんげんされる方かた)
電解液でんかいえきイオンいおんを通とおす水すい溶よう液えき
導線どうせん電子でんしが流ながれる道みち

電子でんしと電流でんりゅうの向むき

  • 電子でんし は 負極ふきょく → 導線どうせん → 正極せいきょく の向むきに動うごく
  • 電流でんりゅう はその 逆ぎゃく、 正極せいきょく → 導線どうせん → 負極ふきょく の向むきと定義ていぎされる (歴史れきし的てきな約やく束そく)

大事だいじ: 電子でんしと電流でんりゅうは 逆ぎゃく向むき です。 これは中なか 2 でも出でてきました。 中なか 3 では 「負極ふきょくで酸化さんか、 正極せいきょくで還元かんげん」 が起おこるとセットで覚おぼえましょう。

4. ボルタ電池でんちとダニエル電池でんち

亜鉛と銅と塩水に浸した布を交互に積んだボルタ電堆の図
ボルタの電堆たい (Voltaic pile) — 亜あ鉛えんと銅どうの板いたの間まに食しょく塩えん水すいをしみ込こませた布ぬのをはさみ、 何なん段だんも積つみ重かさねた世界せかい初はつの電でん池ち (1800 年ねん)。 ボルタ電池ボルタでんちの原型げんけい。

ボルタ電池でんち

1800 年ねんにイタリアの ボルタ が作つくった世せ界かい初の電池でんち。

要素ようそ内容ないよう
負極ふきょく亜あ鉛えん (Zn)
正極せいきょく銅どう (Cu)
電解液でんかいえきうすい硫酸りゅうさん (H₂SO₄)
負極ふきょくの反応はんのうZn → Zn²⁺ + 2e⁻ (酸化さんか)
正極せいきょくの反応はんのう2H⁺ + 2e⁻ → H₂ (還元かんげん)

問もん題だい点てん: 正極せいきょくで水素すいそ気体きたいが銅板どうばんについて電流でんりゅうを妨さまたげる (分極ぶんきょく)。 すぐ弱よわくなる。

ダニエル電池でんち

亜鉛板と銅板を素焼板で仕切ったダニエル電池の模式図
ダニエル電池ダニエルでんち — 亜あ鉛えん板を硫酸亜鉛りゅうさんあえん水すい溶よう液えきに、 銅板どうばんを硫酸銅りゅうさんどう水すい溶よう液えきに入いれ、 素焼やき板いた (隔かく膜まく) で仕切きる。 ボルタ電でん池ちの弱点じゃくてん (分極ぶんきょく) を解消かいしょうし、 安あん定ていして長なが時じ間かん電でん流りゅうを取とり出だせる。

1836 年ねんにイギリスの ダニエル がボルタ電でん池ちを改良かいりょうした電でん池ち。

要素ようそ内容ないよう
負極ふきょく亜あ鉛えん (Zn)
正極せいきょく銅どう (Cu)
負極ふきょく側電解液でんかいえき硫酸りゅうさん亜あ鉛えん (ZnSO₄) 水すい溶よう液えき
正極せいきょく側電解液でんかいえき硫酸銅りゅうさんどう (CuSO₄) 水すい溶よう液えき
セロハン や 素焼き板すやきいた両電解液でんかいえきを分わけ、 イオンいおんだけ通とおす
負極ふきょくの反応はんのうZn → Zn²⁺ + 2e⁻ (酸化さんか)
正極せいきょくの反応はんのうCu²⁺ + 2e⁻ → Cu (還元かんげん)

ポイント: ダニエル電でん池ちは正極せいきょくで 銅どう が析出せきしゅつするだけで 気体きたいが発生はっせいしない ため、 ボルタ電でん池ちよりも 安あん定ていして長持ながもち します。

ボルタとダニエルの比較ひかく

比較ひかく項目こうもくボルタ電でん池ちダニエル電でん池ち
発明はつめい年ねん1800 年ねん1836 年ねん
電解液でんかいえき1 種たね (うすい硫酸りゅうさん)2 種たね (ZnSO₄ と CuSO₄)
負極ふきょくの物質ぶっしつ亜あ鉛えん亜あ鉛えん
正極せいきょくの物質ぶっしつ銅どう銅どう
正極せいきょくでの反応はんのう水すい素そが発生はっせい銅どうが析出せきしゅつ
安定あんてい性せい弱よわい (分極ぶんきょく)安定あんてい

5. 一いち次じ電池でんちと二に次じ電池でんち

一いち次じ電池でんちと二に次じ電池でんち

種しゅ類るい性せい質しつ例れい
一次電池いちじでんち1 回かい使つかい切きり、 充電じゅうでんできないマンガン乾電池でんち、 アルカリ乾電池でんち、 リチウム電池でんち (ボタン)
二次電池にじでんち (蓄電池ちくでんち)充電じゅうでんして 何なん度ども使つかえるニッケル水素電池にっけるすいそでんち、 リチウムイオン電池でんち、 鉛蓄電池なまりちくでんち

主おもな電池でんちの種類しゅるい

電池でんち種しゅ類るい用途ようと
マンガン乾電池でんち一次いちじリモコン、 時計とけい
アルカリ乾電池でんち一次いちじ強力きょうりょく機器きき (ライト等とう)
リチウム電池でんち (ボタン)一次いちじ腕時計うでどけい
鉛蓄電池なまりちくでんち二次にじ自じ動どう車しゃバッテリー
ニッケル水素電池にっけるすいそでんち二次にじ充じゅう電でん式しき単たん三さん電でん池ち
リチウムイオン電池でんち二次にじスマホ、 ノート PC、 EV (電気でんき自じ動どう車しゃ)
燃料電池ねんりょうでんち(連続れんぞく供きょう給きゅう)燃料電池ねんりょうでんち自じ動どう車しゃ (FCV)

二に次じ電池でんちの仕組しくみ

充電じゅうでんとは、 電池でんちに 逆ぎゃく向むきの電流でんりゅう を流ながして、 化か学がく反はん応のうを 逆ぎゃく戻もどし することです。

状じょう態たい化か学がく反はん応のう
放電ほうでん (使つかう)元もとの物質ぶっしつ → 反応はんのう後ごの物質ぶっしつ
充電じゅうでん反応はんのう後ごの物質ぶっしつ → 元もとの物質ぶっしつ

6. 燃料ねんりょう電池でんち

燃料ねんりょう電池でんちとは

燃料電池ねんりょうでんち は、 水すい素そ (H₂) と酸素さんそ (O₂) を化か学がく反はん応のうさせて電気でんきを作つくる装そう置ち。 反はん応のう後に出でるのは 水すいだけ なので、 環境かんきょうにやさしい電池でんちとして注ちゅう目もくされています。

燃料ねんりょう電池でんちの反応はんのう

場所ばしょ反応はんのう
負極ふきょく (水すい素そ側)2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
正極せいきょく (酸素さんそ側)O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
全体ぜんたい2H₂ + O₂ → 2H₂O

燃料ねんりょう電池でんちの特徴とくちょう

特とく徴ちょうくわしく
反はん応のう後の排出はいしゅつ物ぶつ水すい (H₂O) だけ
二酸化炭素にさんかたんそ排出はいしゅつ0 (走行そうこう時じ)
効率こうりつ高たかい (60 % 以上いじょうのことも)
燃料ねんりょう水素すいそ H₂
課題かだい水素すいその製せい造ぞうと貯ちょ蔵ぞう、 充じゅう填てんインフラ

用途ようと

用途ようと例れい
燃料電池ねんりょうでんち自じ動どう車しゃトヨタ MIRAI、 ホンダ CLARITY
家庭かてい用よう燃料電池ねんりょうでんちエネファーム
業ぎょう務む用よう電源でんげん病院びょういん、 データセンターのバックアップ
宇う宙ちゅう開発かいはつアポロ計画けいかくで採用さいよう

7. 安全あんぜん配慮はいりょとふりかえり

電池でんちの取扱とりあつかい注意ちゅうい

電池でんちは化か学がく反はん応のうを含ふくむため、 取扱とりあつかいを誤あやまると 発熱はつねつ・漏液もえき・爆発ばくはつ の危き険けんがあります。

場ば面めん危き険けん対たい策さく
電池でんちの 短絡たんらく (ショート)発熱はつねつ、 発火はっか、 漏液もえきプラスとマイナスを 直接ちょくせつつながない (金きん属ぞくで結むすぶなど厳禁げんきん)
電池でんちを 逆ぎゃく向むき に入いれる発熱はつねつ、 漏液もえきプラス・マイナスを確かく認にんしてから入いれる
混こん在ざい (新しん + 古いにしえ、 種類しゅるい違ちがい)漏液もえき、 性せい能のう低下ていか同おなじ種類しゅるい・新あたらしさで揃そろえる
電池でんちを火ひに入いれる爆発ばくはつ絶対ぜったいに火ひに入いれない
電池でんちを分解ぶんかいする薬品やくひんが漏もれる絶対ぜったいに分解ぶんかいしない
使用しよう済ずみを普ふ通つうごみに火災かさい・環境かんきょう汚お染せん電池でんち回収かいしゅうボックス に出だす

化学かがく実験じっけんの安全あんぜん

場ば面めん危き険けん対たい策さく
ボルタ・ダニエル電でん池ちの製せい作さくうすい硫酸りゅうさん・銅どうイオン水すい溶よう液えき保護メガネほごめがね 必ひっ須す、 服ふくに付つけない
金かね属ぞくと薬品やくひんの反応はんのう水すい素そ気体きたい発生はっせい (爆発ばくはつ性せい)換気かんき、 火ひを近ちかづけない
燃料電池ねんりょうでんちの実じっ験けん水すい素その取扱とりあつかい必かならず先生せんせいと、 火気かき厳禁げんきん

廃棄はいきルール

電池でんちの種しゅ類るい廃はい棄き方法ほうほう
乾電池でんち (マンガン・アルカリ)電池でんち回収かいしゅうボックス (ホームセンター・スーパー)
ボタン電池でんち電池でんち回収かいしゅうボックス (販はん売ばい店てん)
リチウムイオン電池でんち資源しげん回収かいしゅう (発火はっかの危き険けんあり、 専用せんようルート)
自じ動どう車しゃバッテリー (鉛蓄電池なまりちくでんち)カーショップ・ガソリンスタンド

大事だいじ: 電池でんちを 普ふ通つうごみに出だす と、 ごみ収集しゅう車しゃや処理しょり場じょうで 発火はっか する事故じこが増ふえています。 必かならず 回収かいしゅうボックス に出だしましょう。

この章しょうのふりかえり

  • 酸化さんか と 還元かんげん (電子でんしの出入でいり) が言いえる
  • 酸化還元反応さんかかんげんはんのう が同時どうじに起おこることを説せつ明めいできる
  • イオン化傾向イオンかけいこう の大おおまかな順じゅん (K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Cu > Ag > Au) が言いえる
  • 電池でんち = 酸化さんか還元かんげんで電でん気きを取とり出だす装そう置ち が言いえる
  • 負極ふきょくで酸化さんか、 正極せいきょくで還元かんげん が言いえる
  • ボルタ電池ボルタでんちとダニエル電池ダニエルでんち の構成こうせいとちがいを言いえる
  • 一次電池いちじでんちと二次電池にじでんち のちがい (使つかい切きり vs 充電じゅうでん) が言いえる
  • 燃料電池ねんりょうでんち の反はん応のう (2H₂ + O₂ → 2H₂O) と環境かんきょう価値かちを言いえる
  • 電池でんちの安全あんぜんルール (短絡たんらく禁止きんし・廃はい棄き) を守まもれる

この章しょうの安全あんぜん配慮はいりょ

  • 電池でんちの短絡たんらく (プラスとマイナスを直接ちょくせつ結むすぶ) を 絶対ぜったいにしない
  • 電池でんちを 火ひに入いれない、 分解ぶんかいしない
  • 使用しよう済ずみ電池でんちは 回収かいしゅうボックス に出だす (普ふ通つうごみ厳禁げんきん)
  • 電池でんち製せい作さく実験じっけんで 保護メガネほごめがね 必ひっ須す、 服ふくに薬やく品ひんを付つけない
  • 水すい素そが発生はっせいする反はん応のうは 火気かき厳禁げんきん、 必かならず 換気かんき
  • 実験じっけん後の薬品やくひんは流ながしに捨すてず、 必かならず 先生せんせいの指し示じ に従したがう

次じの章しょう: 中なか 3 理り科か後半こうはんでは、 化か学がくから 生物せいぶつ (細胞分裂さいぼうぶんれつ・遺伝いでん) と 地ち学がく (太陽系たいようけい・宇宙うちゅう) に進すすみます。 中なか 1・中ちゅう 2 で学まなんだ 「身みの回まわりの自然しぜん」 が、 「生命せいめいの連れん続ぞく性せい」 と 「宇宙うちゅうの中なかの地ち球きゅう」 につながる章しょうです。

まとめ — 化学かがく変化へんかと電池でんちを 3 行くだりで

  • 電池でんちは酸化還元反応さんかかんげんはんのう (電子でんしのやりとり) を利用りようして化学かがくエネルギーを電気エネルギーでんきえねるぎーに変換へんかんする装置そうちである
  • ボルタ電池ボルタでんち ・ダニエル電池ダニエルでんちではイオン化傾向イオンかけいこうの大おおきい金属きんぞくが負極ふきょくで酸化さんかされ、 小ちいさい金属きんぞくが正極せいきょくで還元かんげんされる
  • 一次電池いちじでんち (使つかい切きり) と二次電池にじでんち (充電じゅうでん可能かのう) があり、 燃料電池ねんりょうでんちは 2H₂ + O₂ → 2H₂O で水みずしか生しょうじない環境かんきょうに優やさしい電源でんげんである
この教材きょうざいは役やくに立たちましたか?