ボルタ電池の基本構造と動作原理

単純なボルタ電池は、硫酸水溶液に亜鉛板と銅板を浸すことで作られます。図に示すように、銅板と亜鉛板が外部の電気負荷で接続された場合、電流が銅板から亜鉛板へ負荷を通じて流れ始めます。つまり、銅板と亜鉛板の間に電位差が生じていることを意味します。電流が銅から亜鉛へ流れるため、銅板は正に帯電し、亜鉛板は負に帯電することが明らかです。

ボルタ電池の動作原理

ボルタ電池の動作原理は、異なる金属が電解液に浸されるとき、より反応性の高い金属が電解液中に正の金属イオンとして溶解し、電子を残すという原理に基づいています。この現象により、より反応性の高い金属板は負に帯電します。

反応性の低い金属は電解液中の正イオンを引きつけ、それらの正イオンが金属板に堆積することで金属板は正に帯電します。この単純なボルタ電池の場合、亜鉛は硫酸溶液中で正イオンとして溶け出し、その後溶液中の負のSO4 − −イオンと反応して亜鉛硫酸（ZnSO4）を形成します。銅は反応性の低い金属なので、硫酸溶液中の正の水素イオンが銅板に堆積する傾向があります。溶液中に放出される亜鉛イオンが多いほど、亜鉛板には多くの電子が残ります。これらの電子は、亜鉛板と銅板を接続する外部導体を通って移動します。

銅板に到達したこれらの電子は、銅板上に堆積した水素原子と結合して中性の水素原子を形成します。これらの原子はペアを形成して水素ガスの分子となり、最後には銅板に沿って水素バブルとして上昇します。ボルタ電池内で起こる化学反応は以下の通りです。

ただし、この反応は、亜鉛と希硫酸の間の接触電位が0.62Vに達した時点で停止します。ボルタ電池の動作中に、亜鉛板はその隣接する溶液膜に対する電位が低い状態になります。

同様に、銅板が電解液に接触すると、溶液中の正の水素イオンが堆積する傾向があり、その電位はほぼ0.46Vまで上昇します。そのため、電位差は0.62 − (− 0.46) = 1.08 Vとなります。

単純なボルタ電池には主に2つの欠点があり、これらは極化と局所作用と呼ばれます。

ボルタ電池の極化

この電池では、徐々に電流が減少し、一定時間操作すると電流が完全に停止することが観察されます。これは、銅板上の水素の堆積によるものです。水素はバブルとして電池から出てきますが、銅板表面には薄い水素層が形成されます。この層は絶縁体として機能し、電池の内部抵抗を増加させます。この絶縁層により、さらに水素イオンが銅板から電子を得てイオンの形で堆積することはありません。銅板上の正の水素イオンの層は、他の水素イオンに対して斥力を与え、それらが銅板に近づくのを防ぎます。そのため電流が減少します。この現象は極化と呼ばれています。

ボルタ電池の局所作用

ボルタ電池が電流を供給していない場合でも、亜鉛が電解液に継続的に溶解することが観察されています。これは、商業用亜鉛中に含まれる鉄や鉛などの微量の不純物が小さな局所電池を形成し、主な亜鉛本体によってショートサーキットされるためです。これらの寄生電池の作用は制御できないため、亜鉛の一部が無駄になることがあり、この現象は局所作用と呼ばれます。

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