太陽電池
ガルバニック電池の基本原理を説明するために、金属亜鉛と銅イオン（Cu2+）の反応を考え、金属銅とZn2+イオンを生成することを考えましょう。 この反応を起こすには、硫酸銅(II)水溶液に亜鉛の棒を差し込みます。 反応が進むと亜鉛の棒が溶けて、金属銅の塊ができます。 このような変化は自然に起こるが、放出されるエネルギーは仕事に使える形ではなく、すべて熱の形である。 金属亜鉛と水溶性銅(II)イオンの反応(単一コンパートメント)。 硫酸銅(II)水溶液の入ったビーカーに亜鉛の棒を入れると、亜鉛電極が溶けてZn2+(aq)イオンになり、同時にCu2+(aq)イオンが還元されて金属銅になるという自然酸化還元反応が起こる。 この反応は非常に速く起こるため、銅は通常の銅の赤味ではなく、黒く見える非常に細かい粒子として析出する。 (youtu.be/2gPRK0HmYu4)
これと同じ反応は、図に示したガルバニ電池でも行うことができます( \PageIndex{3a} ◇)。 このセルは、Cu2+イオンの1M溶液が入ったビーカーに銅片を、Zn2+イオンの1M溶液が入った別のビーカーに亜鉛片を挿入することで組み立てることができます。 電極となる2枚の金属片はワイヤーで接続され、各コンパートメントは、濃厚な液体またはゲル状の電解質を含むU字型のチューブを両方の溶液に挿入したソルトブリッジで接続されている。 塩橋のイオンは、自身が酸化・還元されたり、沈殿物や錯体を形成したりして、電気化学反応を妨げないように選択され、一般的にはカチオンはNa+またはK+、アニオンはNO3-またはSO42-が使用される。 (塩橋のイオンは、いずれの区画の酸化還元カップルのイオンと同じである必要はない)。 回路を閉じると、亜鉛電極（陽極）では金属亜鉛がZn2+イオンに酸化され、銅電極（陰極）ではCu2+イオンがCu金属に還元される自然反応が起こります。 反応が進むと亜鉛片が溶解し、Zn2+溶液中のZn2+イオン濃度が増加し、同時に銅片が増量し、Cu2+溶液中のCu2+イオン濃度が減少します（図(㊦)）。 このように、ビーカー1つで行ったのと同じ反応を、今度は酸化的半反応と還元的半反応を物理的に分離して行っているのです。 陽極で放出された電子は電線を伝って流れ、電流が発生します。 このように、ガルバニ電池は化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、仕事に利用することができるのです。 ガルバニックセルにおける金属亜鉛と水溶性銅(II)イオンの反応。 (a) Cu2+イオン1M水溶液の入ったビーカーに銅片を、Zn2+イオン1M水溶液の入った別のビーカーに亜鉛片を入れて、ガルバニックセルを作ることができる。 2枚の金属片は電気を流すためのワイヤーで、ビーカー同士は塩の橋でつながっている。 スイッチを閉じて回路を完成させると、左側の区画では亜鉛電極（陽極）が自然に酸化されてZn2+イオンとなり、同時に銅電極（陰極）ではCu2+イオンが還元されて銅金属となります。 (b)反応が進むと、Zn陽極は溶解してZn2+(aq)イオンになり質量を失い、Cu陰極はCu2+(aq)イオンが還元されて銅金属になり陰極に析出するので質量を増す。
塩橋中の電解質は、電荷を持って回路の完成とイオンによる溶液間の移動で両方の電気中性を維持する二つの役割があります。 塩橋の塩の正体は、構成イオンが細胞の動作条件下で反応したり酸化還元反応を起こしたりしない限り、重要ではありません。 このような接続がなければ、亜鉛金属が溶解するにつれてZn2+溶液の総正電荷は増加し、Cu2+溶液の総正電荷は減少することになる。 塩橋をかけることで、Zn2+溶液にアニオンが流れ込み、Cu2+溶液にカチオンが流れ込むことで電荷が中和されるのである。 塩橋などがない場合、電気的な中性が保てないため、反応は急速に停止します。
電圧計で2つの区画の電位差を測定することが可能です。 陽極と陰極の配線をつなぐスイッチを開くと電流が流れなくなり、化学反応は起こりません。 一方、スイッチを閉じた状態では、外部回路が閉じているため、陽極から陰極へ電流を流すことができる。 電池の電位(E_{cell})は、2つの半反応の間の電位差をボルトで表したもので、電界中で荷電粒子を動かすのに必要なエネルギーと関係がある。 これまで説明したセルでは、電圧計は1.10Vの電位を示しています（図(˶‾᷄ -̫ ‾᷅˵) ）。 酸化半製品の電子は陽極で放出されるため、ガルバニック電池の陽極はマイナスに帯電しています。 電子を引きつける陰極は正に帯電している。
すべての電極が酸化還元反応中に化学変化を起こすわけではない。 電極は、全体の電気化学反応に現れない酸化還元プロセス中に反応しないように、白金のような不活性で高導電性の金属から作ることができる。 この現象を例で説明すると、ガルバニック(voltaic)電池は、自発的な化学反応によって放出されるエネルギーを電気エネルギーに変換します。 電解槽は、外部からの電気エネルギーを消費して、非自発的な化学反応を促進します。 一方のビーカーには硫酸水溶液に浸されたスズ片が、もう一方のビーカーには硝酸水溶液に浸された白金電極が入っています。 2つの溶液は塩の橋で結ばれ、電極はワイヤーで結ばれている。 電流が流れ始め、白金電極に気体の泡が発生する。 このとき起こる自発的な酸化還元反応は、次の釣り合い化学式で記述されます:
このガルバニックセルについて、
- 各電極で起こる半反応を書きなさい。
- どの電極が正極で、どの電極が負極かを書きなさい。
与えられた課題：ガルバニックセルと酸化還元反応
求められた課題：ハーフ反応、陽極と陰極の識別、電極の正負への割り当て
戦略：
- 酸化ハーフ反応と還元ハーフ反応を見極めてください。
- 電子が流れる方向から、各電極を正または負とする。
解答
A 還元半反応では、硝酸塩は一酸化窒素に還元される。 (一酸化窒素は空気中の酸素と反応してNO2になり、特徴的な赤褐色になる）。 酸化反応では、金属スズが酸化される。 この系で実際に起こる反応に対応する半反応は次の通りである：
還元。
酸化: \
B 電子は錫電極から電線を通って白金電極に流れ、そこで硝酸塩に移動します。 電気回路は塩橋によって完成され、陽イオンは陰極へ、陰イオンは陽極へと拡散していきます。 電子はスズ電極から流れるため、スズ電極は電気的に負でなければならない。
Exercise \(\PageIndex{1})
Consider a simple galvanic cell comprised of two beakers connected by a salt bridge. 一方のビーカーには、希硫酸に溶かしたⒶMnO_4^{-}Ⓑの溶液が入っており、Pt電極が設置されています。 もう1つのビーカーには、希硫酸に溶かした♪( \ce{Sn^{2+}}) の溶液が入っていて、同じくPt電極があります。 2つの電極を針金でつなぐと電流が流れ、次の平衡化学式で表される自発的な反応が起こる。
Answer a
\ce{Sn^{2+}(aq)}. &→ \{Sn^{4+}(aq) + 2e^{-}}. \end{align*}} ]
Answer b
過マンガン酸溶液中の白金電極がカソード、スズ溶液中の白金電極がアノードです。