ガルバニ電池

ガルバニ電池(ガルバニでんち、: galvanic cell)とは、異種の電気伝導体が直列につながっていて、そのうち少なくとも1つがイオン伝導体の相であり、かつ両端の相が同じ化学的組成の電子伝導体である電気化学的なである[1]。ガルバニ電池のうち、一般的に、化学エネルギーから電気エネルギーへの変換を目的とするものは化学電池または電池と呼ばれ、電気エネルギーから化学エネルギーへの変換を目的とするものは電解槽と呼ばれる。(注:化学電池についてのみを「ガルバニ電池」とする流儀もある[2]。)

歴史

イタリアの医師、解剖学者ルイージ・ガルヴァーニは、解剖したカエルの足の筋肉に電気を通じることで、筋肉が活動することを発見している(ガルヴァーニ電気)。実験ではライデン瓶に蓄積した静電気を用いた。これに先立ち、生きているカエルの足に電気を通じた場合に痙攣が起きることは確認していた。一連の実験をくり返すうちに、1780年、電気を通じない場合にも、カエルの筋肉が収縮する場合があることを見いだす。絶縁体であるガラスを用いた実験などを工夫し、さまざまな説を検討した結果、電気の源を筋肉自体にあるとした。ガルヴァーニはベンジャミン・フランクリンによる1752年の実験結果を知っていたため、雷雨によってカエルの筋肉が動くかどうかを1780年代の後半に実験し、雷雨の影響も確認している。フランクリンの理論は電気を流体と考えており、ガルヴァーニは神経がこの電気流体を伝えると考えた。ガルヴァーニの理論は、ボローニャにおいて1791年に発表された論文 De viribus electricitatis in motu musculari :Commentarius において体系化された。一方、ガルヴァーニの実験を追試したアレッサンドロ・ボルタは、電気が筋肉や神経ではなく、実験に用いた2種類の金属の接触に由来すると考えた[3]。ガルヴァーニとボルタは同時代人であり、互いの説のどちらが正しいのか、科学者の間で当時から論争となった。結局、ボルタの説が正しいことが分かり、ボルタによる最初のガルバニ電池であるボルタ電池の発明にいたっている。

概要

ガルバニ電池の例(ダニエル電池
Cu | Zn | ZnSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu

電池図式という方法で表すと、例えば、

となる系はガルバニ電池である。ここで、Mは電子伝導体(例えば金属)の相、Sはイオン伝導体(例えば電解質水溶液)の相、|は相の境界を表す。

M1のように電池図式の両端に置かれる同一組成の電子伝導体の相は端子と呼ばれる。端子は電池図式において省略されることがある。M2やM3のようにイオン伝導体と接している電子伝導体の相を電極という。(M2|SやS|M3のように、電子伝導体の相とイオン伝導体の相が接している系について電極系(広義の電極)または半電池(はんでんち、half-cell)ということがある。)2つめの例のM1のように電極が端子を兼ねる場合もある。3つめの例のS1|S2のように、異なるイオン伝導体の相が接している部分を液絡(えきらく、liquid junction)という。液絡では、電気的接続(イオン伝導)を確保しつつ溶液の混合を防ぐために、ガラスセラミックスでできた多孔性の板や半透膜イオン交換膜などが用いられる。また、4つめの例のように、S1とS2を直接に液絡させず、第3のイオン伝導体の相S3を介して接続することもある。このとき用いられるS3のようなイオン伝導体の相を塩橋(えんきょう、salt bridge)という。

図式の左の端子の電位に対する右の端子との電位差をガルバニ電池の電位差(電圧)とし、電池図式中を正電荷が左から右へ進む方向の電流を正の符号と約束する(1953年のIUPAC勧告。解説は例えば[4])。このとき、電子伝導体からイオン伝導体へ正電荷が移動する電極(電池図式のM|S部分)をアノード、イオン伝導体から電子伝導体へ正電荷が移動する電極(電池図式のS|M部分)をカソードという。すなわち、電池図式において、アノードは左側、カソードは右側に配置される。

ガルバニ電池の例

ボルタ電池

ボルタ電池は、亜鉛板と板を硫酸水溶液中に浸した電池で、電池図式では次のように表すことができる。

右側の銅電極は端子も兼ねている。(左の銅端子については、線を使って電池に接続することだと考えるとわかりやすい。)

ダニエル電池

ダニエル電池は、亜鉛板を硫酸亜鉛水溶液中に、銅板を硫酸銅水溶液中に浸した電池で、電池図式では次のように表すことができる。

ダニエル電池には硫酸亜鉛水溶液と硫酸銅水溶液との液絡がある。(液絡の部分が||(二重縦線)になっているが、これは液間電位を無視できることを示す。)

脚注

  1. 玉虫伶太『電気化学(第2版)』, 東京化学同人, 2頁(1991)
  2. Peter Atkins, Julio de Paula, 千原 秀昭(訳), 稲葉 章(訳)『アトキンス 物理化学要論 (第4版)』, 東京化学同人, 189頁(2007)
  3. Alexander Volta, "On the Electricity excited by the mere Contact of conducting Substances of different kinds," Phil. Trans. Royal Soc., vol.90, pp.403-431(1800)
  4. J. A. Christiansen, "Manual of Physico-Chemical Symbols and Terminology," J. Am. Chem. Soc., vol.82, p.5517(1960)

関連項目

参考文献

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