中3理科 化学変化と電池(化学電池)まとめと問題

中3理科 化学変化と電池(化学電池)まとめと問題

化学エネルギーから電気エネルギーに変換して取り出す装置のことを電池(化学電池)といいます。電池というと乾電池やボタン型の電池をまず思い浮かびますよね。でもなぜ化学エネルギーで電気エネルギーを取り出すことができるのでしょうか。

今回は電池(化学電池)で電気エネルギーが取り出されるそのしくみについて、電池と関わるイオン化傾向、いろいろな電池、化学電池の練習問題をご紹介します。

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電池(化学電池)とは

電池(化学電池)とは化学変化によって化学エネルギーから電気エネルギーを取り出す装置のことです。乾電池や燃料電池、充電式電池も化学電池の一種です。(太陽電池、原子力電池などは物理電池の一種です。)

電池を作るには、

・電解質の水溶液

・異なる種類の金属板

の2つが必要になります。

電解質の水溶液(電流が流れる水溶液)には塩酸や硫酸、水酸化ナトリウム水溶液、アンモニア水などがあります。

電池(化学電池)のしくみ

うすい塩酸に亜鉛板と銅板を入れた電池では、次のような化学変化が起こります。

亜鉛板(-極)…亜鉛板が電子を失い、亜鉛イオン(Zn2+になって塩酸中に溶け出す。亜鉛板はぼろぼろになる(Zn→Zn2++2e)

銅板(+極)…導線を通ってきた電子が、水溶液中の水素イオン(H+と結びつき水素原子(H)に→水素原子が結びついて水素(H2が発生する。銅板の上には気泡がつく(2H++2e→H2)

電流は+極→-極に、電子は-極→+極に流れます。

イオン化傾向

上の電池では亜鉛板が-極、銅板が+極となっていますが、この極はイオン化傾向の大きさによって決まります。イオン化傾向が大きいほど-極になりやすいです。

中学生は

Na(ナトリウム)>Mg(マグネシウム)>Al(アルミニウム)>Zn(亜鉛)>Fe(鉄)>Cu(銅)>Ag(銀)

を覚えておけば良いでしょう。

亜鉛は銅よりイオン化傾向が大きいので、亜鉛が-極、銅が+極になります。鉄とアルミニウムならアルミニウムの方がイオン化傾向が大きいので、アルミニウムが-極、鉄が+極になります。

もう少し詳しくイオン化傾向を並べたものがこちら↓(発展・高校生向け)

K(カリウム)>Ca(カルシウム)>Na(ナトリウム)>Mg(マグネシウム)>Al(アルミニウム)>Zn(亜鉛)>Fe(鉄)>Ni(ニッケル)>Sn(すず)>Pb(鉛)>[H(水素)]>Cu(銅)>Hg(水銀)>Ag(銀)>Pt(プラチナ)>Au(金)

こんな語呂合わせも有名です。

K(リウム)>Ca(ルシウム)>Na(トリウム)>Mg(グネシウム)>Al(ルミニウム)>Zn(鉛)>Fe()>Ni(ッケル)>Sn(ず)>Pb()>[H(水素)]>Cu()>Hg()>Ag()>Pt(金)>Au()

そうかなまああてにすひどすぎしゃっきん

レモン電池

レモンに亜鉛板と銅板など、異なる種類の金属板を差し込んで電池を作ることができます。(レモンなどの果汁にはクエン酸という酸で、電解質です。)

レモンの代わりにオレンジ、みかん、グレープフルーツなどの果物でも可能です。

実験に使用した果物は金属が溶けているので、実験後に食べないこと。

備長炭電池(木炭電池)

備長炭(びんちょうたん)を用いて備長炭電池(木炭電池)を作ることができます。

備長炭のまわりに濃い食塩水をしみこませたろ紙を巻き、さらにその上からアルミニウムはくを巻きます。

このとき+極が備長炭(炭素)-極がアルミニウムになります。

アルミニウムは電子を放出してアルミニウムイオンになり、備長炭の表面に吸着した酸素へ電子が流れます。(食塩水は電解質)

このとき、化学エネルギーが電気エネルギーに変換されて電流が流れています。

Al→Al3++3e

実験後はアルミニウムはくがぼろぼろになります。(塩酸に亜鉛板、銅板を入れた化学電池で、亜鉛板がぼろぼろになるのと同様です。)

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いろいろな身の回りの電池

一次電池

一次電池は使うと電圧が低下する、使い切りの電池のことです。一次電池にはマンガン電池、アルカリ電池、リチウム電池、酸化銀電池、空気電池などがあります。

マンガン電池

マンガン電池(マンガン乾電池)は+極に二酸化マンガン、-極に亜鉛が使われ、集電体に炭素棒、電解液に塩化亜鉛(または塩化アンモニウム)が使われています。

テレビのリモコン、時計、ガスコンロの点火など、小さな電力で長時間、あるいは大きな電力で瞬間的に作動させる場合に適しています。

アルカリ電池

アルカリ電池(アルカリ乾電池)は+極に二酸化マンガン、-極に亜鉛が使われ、集電体に真ちゅう棒、電解液に水酸化カリウムが使われています。

マンガン電池より高出力で、ミュージックプレイヤー、ラジコン、カメラのストロボなど、モーターを長時間動かすとき、あるいは大きな電力で瞬間的に作動させる場合に適しています。

リチウム電池

リチウム電池(コイン型リチウム電池)は-極にリチウムが使われている一次電池です(リチウムイオン電池とは異なります)。リチウム電池の種類によって+極が異なり、二酸化マンガンやフッ化黒鉛、硫化鉄などが使われています。

リチウム電池は時計、電卓、電子体温計などに用いられています。

空気電池(空気亜鉛電池)

空気電池(空気亜鉛電池)は+極に酸素、-極に亜鉛、電解液に水酸化カリウムなど使われています。補聴器などに用いられています。

二次電池

二次電池は充電できる電池のことです。鉛蓄電池(なまりちくでんち)、ニカド電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などがあります。

鉛蓄電池

鉛蓄電池は+極に二酸化鉛、-極に鉛、電解液に希硫酸が使われています。自動車のバッテリーなどに用いられています。

ニカド電池

ニカド電池は+極に水酸化ニッケル、-極に水酸化カドミウムが使われ電解液に水酸化カリウムが使われています。有害なカドミウムが使われているので、最近はニッケル水素電池やリチウムイオン電池に移行しています。

ニッケル水素電池

ニッケル水素電池は+極に水酸化ニッケル、-極に水素吸蔵合金が使われ、電解液に水酸化カリウムが使われています。

ハイブリッドカーのバッテリーなどに使われています。

リチウムイオン電池

リチウムイオン電池は-極にリチウムが使われ、リチウムイオンが+極と―極の間を移動して充電と放電を行う二次電池です。

小型で携帯電話、ノートPC、デジタルカメラなどに広く用いられています。

燃料電池

燃料電池水の電気分解と逆の化学変化を利用して、電気エネルギーを得る装置です。水素と酸素を反応させて直接発電させます。

水素+酸素 → 水+電気エネルギー

(化学反応式:2H2+O2→2H2O

二酸化炭素を排出せず、生じる物質が水のみなので、環境に悪い影響を与えにくいという長所があります。

【問題編】化学変化と電池(化学電池)

問1 電池をつくる条件2つを答えましょう。

▶答え

問2 水溶液に銅板と亜鉛板を入れて電池をつくりたい。次の水溶液の中から電気が流れるものをすべて答えましょう。

エタノール・硫酸・アンモニア水・水酸化ナトリウム水溶液・蒸留水・砂糖水・レモン水

▶答え

問3 イオン化傾向が大きいほど+極になりやすいですか、それとも-極になりやすいですか。

▶答え

問4 うすい塩酸の中に銅板と亜鉛板を入れ、豆電球とつないだら電球が光りました。亜鉛板の代わりに次のどれを使用すれば電球が光るか、すべて答えましょう。

1円玉・10円玉・鉄製のくぎ

▶答え

問5 うすい塩酸に亜鉛板と銅板を入れて電池をつくりました。

(1) 亜鉛板の亜鉛原子にどのような変化が起きますか。

ア 電子を1個失い陽イオンになる。

イ 電子を1個受け取り陰イオンにになる。

ウ 電子を2個失い陽イオンになる。

エ 電子を2個受け取り陰イオンになる。

▶答え

(2) 実験を続けると、亜鉛板でどのような変化が起きるか。

▶答え

(3) 銅板は+極ですか、-極ですか。

▶答え

(4) 銅板の表面ではどのような変化が起きますか。

▶答え

(5) +極で発生する気体は何ですか。

▶答え

(6) +極でイオンが電子を受け取り気体が発生する化学変化を、化学式とイオン式、電子eを使って答えましょう。

▶答え

問6 備長炭、食塩水で湿らせたろ紙、アルミニウムはくを用いて備長炭電池(木炭電池)を作りました。

(1) このとき備長炭・ろ紙・アルミニウムはくのうち、+極、-極になるのはそれぞれどれですか。

▶答え

(2) 実験後アルミニウムはくはどうなりますか。

▶答え

問7 次のア~オの中から、一次電池をすべて答えましょう。

ア アルカリ電池

イ 鉛蓄電池

ウ 空気電池

エ リチウム電池

オ リチウムイオン電池

▶答え

問8 自動車のバッテリーに用いられているのは次のア~ウのどの電池ですか。

ア リチウム電池

イ 鉛蓄電池

ウ 空気電池

▶答え

問9 補聴器に用いられているのは次のア~ウのどの電池ですか。

ア リチウムイオン電池

イ 鉛蓄電池

ウ 空気電池

▶答え

問10 水の電気分解と逆の化学変化を利用して、電気エネルギーを得る装置(電池)を何といいますか。

▶答え

まとめ

・電池をつくるには電解質水溶液と異なる種類の金属板が必要

・イオン化傾向の大きい金属が-極になる

・うすい塩酸+亜鉛板+銅板の電池で、

-極(亜鉛板):亜鉛原子が電子を2個失い亜鉛イオン(亜鉛板はぼろぼろに)

+極(銅板):水素イオンが電子を受け取り水素が発生(銅板の上に気泡)

・備長炭電池 … +極:備長炭、-極:アルミニウム(アルミニウムはくがぼろぼろに)

・一次電池 … マンガン電池、アルカリ電池、リチウム電池、空気電池など(使い切りの電池)

・二次電池 … 鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池など(充電できる電池)

・燃料電池 … 水の電気分解と逆の化学変化を利用、環境に悪い影響を与えにくい

電池の実験問題ではイオン式、化学式を用いてどのような反応が起きているのかも表せるようにしましょう。

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