ガルバニ電池と電気分解のシミュレーター
このシミュレーションの式
| E° | 標準電極電位 | 1 mol/L、25 °C で水素を基準に測る。E° の低い金属が電子を放出し、負極になる | |
|---|---|---|---|
| E°cell | 標準起電力 | 両方の溶液が 1 mol/L のときの電圧。正なら電池はひとりでに働く |
現在の値を入れると：
| n | 移動する電子の数 | 亜鉛と銅では 2 | |
|---|---|---|---|
| F | ファラデー定数 | 電子 1 mol あたり 96,485 C | |
| Q | 反応商 | [負極のイオン] ÷ [正極のイオン]、それぞれ n の中の自分の割合をべき指数にしたもの。電池が働くと Q が上がって E が下がり、やがて電池が切れる | |
| E | 現在の起電力 | 電流を流さないとき電圧計が示す値 |
現在の値を入れると：
| ΔG | 電池反応のギブズエネルギー | ひとりでに働く電池では負。ダニエル電池では −212 kJ/mol |
|---|
現在の値を入れると：
| I | 電流 | r = 5 Ω は電池の内部抵抗 | |
|---|---|---|---|
| 物質量 | 溶けた金属または析出した金属 | ファラデーの法則: 2 価のイオン 1 mol には電子 2 mol が必要 |
現在の値を入れると：
| Q | 流れた電荷 | I × t。電源は少なくとも 1.23 V、反応を進めるためにさらに約 0.6 V が必要 | |
|---|---|---|---|
| V | 各気体の体積 | 25 °C、1 atm で 1 mol あたり 24.5 L。水素は酸素の 2 倍 |
現在の値を入れると：
ガルバニ電池と電気分解のシミュレーターの使い方
- ガルバニ電池では、左右それぞれに金属を選びます。各金属は自分のイオンの溶液に浸かり、導線と塩橋でつながっています。標準電位の低い金属が負極で、溶けながら電子を出し、その電子は導線を通ってもう一方の電極へ行き、そこで金属イオンが受け取って析出します。メーターは起電力を示します。
- 濃度を変えるとネルンストの式で電圧がずれる様子がわかり、負荷抵抗を下げるとより大きな電流が流れます。電池を動かすと、負極が細り、正極が太り、銅なら青い溶液が薄くなっていき、電圧はゆっくり下がります。グラフがそれを追います。ネルンストの式の計算で、任意の濃度での半電池の電位を求められます。
- 水の電気分解に切り替えて、電源電圧を設定します。約 1.8 V を超えると電流が水を分解し、負の電極の上に水素、正の電極の上に酸素が集まります。ファラデーの法則が流れた電荷から予想するとおり、水素は 2 倍です。
よくある質問
ガルバニ電池はどうやって電気をつくる？
2 つの金属は電子を保持する強さが異なり、それを標準電極電位で表します。亜鉛 (−0.76 V) は銅 (+0.34 V) より電子を出しやすいので、ダニエル電池では亜鉛原子が Zn²⁺ として溶け、電子が導線を流れ、Cu²⁺ イオンが銅の電極でそれを受け取ります。塩橋はビーカーの間でイオンを移動させて両方の溶液を中性に保ちます。塩橋がないと電流はすぐに止まります。
起電力はどう計算する？
両方の溶液が 1 mol/L なら、E°セル = E°正極 − E°負極 で、亜鉛と銅では 0.34 − (−0.76) = 1.10 V です。ほかの濃度ではネルンストの式で補正します: E = E° − (RT ÷ nF) ln Q、Q = [Zn²⁺] ÷ [Cu²⁺]。亜鉛イオンが銅イオンの 10 倍あると、電圧は約 30 mV 下がります。
電気分解についてのファラデーの法則とは？
電極でできる、または使われる物質の量は流れた電荷に比例します: 物質量 = Q ÷ (zF)、Q = I × t、z はイオン 1 つあたりの電子数、F = 96,485 C/mol。水の分解では水素分子 1 個に電子 2 個、酸素分子 1 個に電子 4 個が必要なので、水素はちょうど 2 倍集まります。
水の電気分解に 1.23 V より大きな電圧が必要なのはなぜ？
1.23 V は熱力学上の最小値で、反応を逆に進めたときの起電力です。実際には電極反応にさらに過電圧と呼ばれる後押しが必要で、溶液には抵抗もあるので、実際のセルは 1.8〜2.5 V で動きます。純粋な水はほとんど電気を通さないので、硫酸ナトリウムのような電解質を加えます。電解質は消費されずに電流を運びます。
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