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酸化還元と電池の基本
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導入
この講義で最重要なのは、電池は 2 つの半反応式を空間的に分けて、電子の移動を外部回路へ取り出したものだということです。
酸化還元を化学反応式の中だけで見ていると、電子は式の左と右を行き来する記号に見えます。しかし半反応式に分けると、「どこが電子を出し」「どこが受け取るか」が先に見えます。そこから電池では、その電子が導線を流れることで仕事をします。
用語と定義
電池 とは、酸化還元反応を利用して電気エネルギーを取り出す装置です。
陽極 とは、酸化が起こる電極です。
陰極 とは、還元が起こる電極です。
方針
まず酸化還元反応を半反応式に分けます。そのあと、それぞれを別の電極で起こる反応として配置し、どちらからどちらへ電子が流れるかを読みます。つまり、電池でも出発点は常に半反応式です。
直感的な説明
亜鉛と銅の組み合わせでは、亜鉛のほうが電子を出しやすく、銅イオンのほうが電子を受け取りやすいので、電子は亜鉛から銅へ流れます。この流れを外へ引き出したものが電流です。
厳密な説明
1. 半反応式
電池を考えるときも、いきなり「極の名前」や「起電力」から入りません。まず酸化と還元を 1 本ずつの半反応式に分けます。
亜鉛の酸化は
\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+}+2e^-}
です。
銅イオンの還元は
\mathrm{Cu^{2+}+2e^- \rightarrow Cu}
です。
2. 電池として組む
この 2 つを別の電極で起こすと、電子は陽極から陰極へ流れます。陽極と陰極の判定も、半反応式を見れば決まります。
3. 起電力
電子を押し出す力の差があるため、電池は起電力をもちます。
見分け方
- 酸化還元反応を見たら、まず半反応式を 2 つに分けます。
- 半反応式が 2 つに分けられたら、電池として読めないか考えます。
- 電子を出す側が陽極、受け取る側が陰極です。
- 電流の向きと電子の向きは逆だという点に注意します。
最終形
\boxed{\text{陽極で酸化,\quad 陰極で還元}}
\boxed{\text{電子は陽極} \rightarrow \text{陰極}}
一言でいうと
- 電池は、酸化還元の電子移動を外部回路へ取り出した装置です。