電池の起電力と酸化還元
カメレオン先生負極は酸化、正極は還元。この2つの半反応式を書けるようになれば、どんな電池も同じ見方で読めるよ。
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- 電池（新しいタブで開きます）は、自然に進む酸化還元反応（新しいタブで開きます）から電子の流れを取り出す装置で、両極の間の電位差（新しいタブで開きます）を起電力という。
- 電子を放す酸化が起こる電極を負極、電子を受け取る還元（新しいタブで開きます）が起こる電極を正極という。
- 2種類の物質のイオン（新しいタブで開きます）化傾向（酸化・還元のされやすさ）の差が大きいほど、起電力は大きくなる。
詳しく
電池の基本構造と起電力
電池は、酸化されやすい物質と還元されやすい物質を電解液とともに組み合わせ、両極を外部回路でつなぐことで、自然に進む酸化還元反応から電気エネルギーを取り出す装置である。電子を放す側の電極を負極、電子を受け取る側の電極を正極とよび、両極の間に生じる電位差を起電力という。
負極では、電子を放す酸化が起こる。物質Mが電子をn個放してn価の陽イオンになるとき、負極の反応は「M → Mⁿ⁺ ＋ ne⁻」の形で表せる。電子を受け取る還元が起こるのは正極だ。物質Xが電子をm個受け取るとき、正極の反応は「Xᵐ⁺ ＋ me⁻ → X」のような形になる。
外部回路では電子が負極から正極へ流れるが、電流の向きはその逆（正極から負極）と定義されている。2つの半反応式の電子の数をそろえて足し合わせたものが、電池全体で進む酸化還元反応（全体の反応式）だ。
例：組み合わせる金属と起電力の大きさ
亜鉛が負極、銅が正極になるダニエル電池（新しいタブで開きます）のように、2種類の金属を組み合わせる電池では、イオン化傾向がより大きい金属が負極、より小さい金属が正極になる。くわしいしくみは「酸化還元反応の利用（新しいタブで開きます）」のページで確認できる。組み合わせる2種類の金属のイオン化傾向（新しいタブで開きます）の差が大きいほど、酸化されやすさ・還元されやすさの差も大きくなり、起電力は大きくなる傾向がある。
例えば、イオン化傾向の列で遠くにある亜鉛と銀を組み合わせた電池は、亜鉛と銅を組み合わせたダニエル電池より起電力が大きい。一方、イオン化傾向の列で近い鉄と銅を組み合わせても、電池として電子は流れるが起電力は小さくなる。
このように、電極に使う物質の組み合わせを変えると起電力も変わるため、実用電池では大きな起電力と安定した反応が得られる組み合わせが選ばれている。
なぜ起電力はイオン化傾向の差で決まるのか
イオン化傾向が大きい金属ほど、電子を放して陽イオンになろうとする性質（還元剤（新しいタブで開きます）としての強さ）が大きい。逆に、イオン化傾向が小さい金属のイオンほど、電子を受け取って単体（新しいタブで開きます）に戻ろうとする性質（酸化剤としての強さ）が大きい。
電池の負極には還元剤として強い物質（酸化されやすい物質）、正極には酸化剤として強い物質（還元されやすい物質）を選ぶほど、その酸化還元反応はより自然に・より大きな勢いで進む。この「反応の進みやすさの差」が、取り出せる電位差である起電力の大きさに対応している。
したがって、負極と正極にどの物質を選ぶかを、酸化・還元のされやすさという1つのものさし（イオン化傾向や酸化剤・還元剤としての強さ）で見比べることが、電池の設計を理解する第一歩になる。
確認問題
確認問題（解答用紙）
スマホやタブレットで読み取ると、この問題をその場で解けます。
https://manazoo.com/science/battery-electromotive-force-and-redox/?from=print#quiz
電池の負極で起こる変化はどれか。
- ◯ 昇華
- ◯ 中和
- ◯ 還元（電子を受け取る）
- ◯ 酸化（電子を放す）
正解：酸化（電子を放す）
負極では、物質が電子を放す酸化が起こる。電池の正極で起こる変化はどれか。
- ◯ 還元（電子を受け取る）
- ◯ 凝固
- ◯ 中和
- ◯ 酸化（電子を放す）
正解：還元（電子を受け取る）
正極では、物質が電子を受け取る還元（新しいタブで開きます）が起こる。電池の負極と正極に使う2種類の金属のイオン化傾向の差が大きいほど、起電力はどうなる傾向があるか。
- ◯ 小さくなる傾向がある
- ◯ 電流の向きだけが変わる
- ◯ 大きくなる傾向がある
- ◯ 0になる
正解：大きくなる傾向がある
イオン（新しいタブで開きます）化傾向の差が大きいほど、酸化されやすさ・還元されやすさの差も大きく、起電力は大きくなる傾向がある。電子をn個放して金属Mがn価の陽イオンになる、負極の反応を正しく表した式はどれか。
- ◯ Mⁿ⁺ → M＋ne⁻
- ◯ M＋ne⁻ → Mⁿ⁺
- ◯ M → Mⁿ⁺＋ne⁻
- ◯ M＋Mⁿ⁺ → ne⁻
正解：M → Mⁿ⁺＋ne⁻
負極では金属Mが電子ne⁻を放してn価の陽イオンMⁿ⁺になる。M → Mⁿ⁺＋ne⁻と表す。
単元のポイント
- 起電力 電池の両極の間に生じる電位差。単位はV（ボルト）
- 負極 酸化が起こり、電子を外部回路へ放す電極
- 正極 還元が起こり、外部回路から電子を受け取る電極
- 半反応式 負極・正極それぞれで起こる変化を、電子e⁻を含めて表した反応式