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Day dreamer

メカトロ工学部生のエンジニア日記

電池のプラスマイナスってどうやって決まってるの?

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【目次】 

 

 

どうもたつよしです!

 

今日は先日大学で受けた授業「電池工学」のフィードバックをしたいと思います!

まぁ僕はメカトロ出身なんで、化学系のこの科目は取らなくてもよかったんですが、完全に興味本意なのと、この授業は3年前期にしか受けれない!って勘違いしていたのが受講しちゃった理由です笑

 

まあ、でも既に2回ぐらい授業を受けてみて、化学の反応式とかはチンプンカンプンでしたが、なんとなく「電池のプラスマイナスってこうやって決まってるんだぁ〜」みたいに電池の全体像のようなものが掴めて楽しかったので、この単位は落とさずに引き続き受けてみようかなぁ!ってところです。

 

 

それでは今日の本題「電池のプラスマイナスがどう決まってるのか?」にいきましょう!

 

電池の基本構造 

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具体的な例として「燃料電池」を考えてみると。

基本的に電池は「2つの金属の棒」「電解質水溶液という液体」などから構成されています。

そしてその2つの金属の棒のうちのどっちかがプラスとマイナスになるのですが、それがどう決まってるのか。化学系の勉強をあまりしない工学部の人にとっては考えたこともないですよね?

 

 

標準電極電位が大きい方がプラス!

2つの金属の棒がどうやってプラスとマイナスに決まってるか?

それは2つの金属の「標準電極電位」という指標によって決まっています。

 

これは、その名の通り物質(ここでは金属棒)が標準状態のときの電位(電圧みたいなもん)を表していて、この「標準電極電位」が大きい方がプラス、小さい方がマイナスというように電池のプラスマイナスが決まっているのです。

 

物質の標準状態ってなんぞや?

「標準状態」と言われる状態はその物質の活量(a)が1の時の状態のことをさし、活量とは、気体や溶液の性質を論理的に取り扱う時に、濃度の代わりに用いる物理量のことで、簡単にいうと”その物質の密度”みたいなものです。

 

 

 プラスがカソード、マイナスがアノード!

あとで、化学界ではプラスの電極のことをカソード、マイナスの電極のことをアノードというらしく、プラスのカソードでは電子を受け取る還元反応。マイナスのアノードでは電子を失う反応が起きており、この反応に着目してプラスマイナスを言う時には「カソード、アノード」という言葉を用いることが多いみたいです。

 

  

実践で電池のプラスマイナスを知る時の手順

手順①:「標準電極電位」表を見る。

とりあえず、標準電極電位は表にまとまっているので、ここにのっている値を確認します。ちなみに標準電極電位の単位はε0です。

 

手順②:プラスマイナスを決める

2つの金属の棒の標準電極電位εがそれぞれ知ることができたら、それぞれのεを比較し、大きい方をカソード(プラス)、小さい方をアノード(マイナス)に決定!

以上です笑。ただ、表の数値を見て、どっちが大きいかな!って比較するだけの話ですw

 

 

標準電極電位表さえ持っていれば!

標準電極電位表さえ持っていれば、どちらの金属棒がプラス、マイナスになるかがわかるだけでなく、その電位の差をとって、電池の起電力も正確に知ることができるわけです。

起電力とは電池のボルトみたいなものなので、この電池はこの金属棒とこの金属棒を使ってるから電圧は◯◯ボルト!みたいな感じで言えるわけですよ!!笑

 

 

 

具体的な計算

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カソード反応式と、アノード反応式は標準電極電位表から引っ張って来て、2つの式を足し合わせたときに、電子eがちょうど打ち消されるように係数を調整します。

そして足し合わせて出来上がった式が電池反応式です。

この電池反応式は簡単な電池の起電力を求めるの時には関係はありませんが、より正確な起電力を知りたい!って時には必要になってくる式です。

この簡易版の起電力が求められる方法は、あくまでの金属棒が標準状態(活量=1)の時の計算が行えるだけで、ほとんどの場合金属の活量が1の時は少ないです。

 

そん時に使うのが上の電池反応式であって、その反応式と、Nernstの式という公式を用いて電池の起電力をより正確に知ることができます。

ただ、ここらへんはちょいとハイレベルなのでここでは割愛しときますね笑

 

 

 

まとめ

電池のプラスマイナスを知るには、「標準電極電位表」を手元に用意して、2つの標準電位を調べて比較。大き方をプラス。小さい方をマイナスにする!

起電力は2つの標準電位の差をとり、より正確な起電力を知りたい場合は、反応式をもとめて、Nernstの式を使って求める!

 

以上、電池のプラスマイナスの決まり方と、起電力(電圧)の求め方でした!