ガルバニ電池と電解セル

電気化学は、電気エネルギーと化学変化の関係を研究する化学の分野です。電気化学の本質は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスであるガルバニ電池と電解セルです。これらは電気化学の分野で異なる目的を果たしていますが、本質的に相互に関連しています。各タイプのセル、そのメカニズム、類似点、違い、および実際の応用について探りましょう。

ガルバニ電池とは？

ガルバニ電池、またはボルタ電池とも呼ばれるものは、セル内で起こる自発的な酸化還元反応によって電気エネルギーを生成する電気化学セルです。その主な目的は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換することです。ガルバニ電池の酸化還元反応は別々の区画で起こり、電気は一方の区画から他方への電子の流れによって生成されます。

ガルバニ電池の構成要素

• アノード：酸化が起こる電極。アノードでは物質が電子を失います。ガルバニ電池では、アノードは負に帯電しています。
• カソード：還元が行われる電極。カソードでは材料が電子を得ます。ガルバニ電池では、カソードは正に帯電しています。
• 架橋：イオンが2つの区画の間を移動し、電気的中性を維持するために設計された通路。通常、KCl や NaNO₃ などの塩溶液が含まれます。
• 電解液溶液：イオンの存在により電気を伝導する溶液。
• 外部回路：電子が流れる導線。アノードとカソードを外部で接続します。

ガルバニ電池の作動原理

ガルバニ電池の酸化還元反応は別々のハーフセルで行われます。これらのハーフセルは次のように接続されます：

1. アノードで酸化反応が起こり、電子が放出されます。アノードでの以下の反応を考えます：

Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2e-

2. カソードはこれらの電子を受け入れ、還元が起こります。還元反応を考えます：

Cu2+ (aq) + 2e- → Cu (s)

3. 架橋はイオンが移動して電荷のバランスを維持するのを助けます。正のイオンはカソードに向かい、負のイオンはアノードに向かって移動します。
4. アノードからカソードへの電子の外部回路を通る流れが電流を生成し、これを測定したり作業に使用したりできます。

ガルバニ電池のイメージ

    <svg width="400" height="300" viewBox="0 0 400 300" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
      <!-- Anode Compartment -->
      <rect x="50" y="60" width="120" height="180" fill="#f3f3f3" stroke="black" />
      <text x="90" y="170" font-size="16">Zn/Zn<sup>2+</sup></text>

      <!-- Cathode Compartment -->
      <rect x="230" y="60" width="120" height="180" fill="#f3f3f3" stroke="black" />
      <text x='270' y='170' font-size='16'>Cu<sup>2+</sup>/Cu</text>

      <!-- Salt bridge -->
      <path d="M170,100 Q200,60 230,100" fill="none" stroke="black" stroke-width="2" />
      <text x="180" y="80" font-size="12">Salt Bridge</text>

      <!-- EXTERNAL CIRCUIT -->
      <line x1="50" y1="100" x2="170" y2="30" stroke="black" stroke-width="2" />
      <line x1="230" y1="100" x2="310" y2="30" stroke="black" stroke-width="2" />
      <line x1="170" y1="30" x2="310" y2="30" stroke="black" stroke-width="2" />
      <text x="220" y="20" font-size="12">電子の流れ (e<sup>-</sup>)</text>

      <!-- ELECTRON FLOW -->
      <path d="M270,30 L250,30" fill="none" stroke="black" stroke-width="2" marker-end="url(#arrow)" />
      <path d="M190,30 L170,30" fill="none" stroke="black" stroke-width="2" marker-end="url(#arrow)" />

      <defs>
        <marker id="arrow" markerwidth="10" markerheight="10" refx="0" refy="3" orient="auto">
          <path d="M0,0 L0,6 L9,3 Z" fill="black" />
        </marker>
      </defs>
    </svg>
    

ガルバニ電池の特徴

• 自発性：ガルバニ電池の反応は自発的で、自然に起こり自由エネルギーを放出します。
• セルポテンシャル：2つの電極間の電圧または電気ポテンシャル差。それは、反応物の性質とその濃度に依存します。
• 正のセルポテンシャル：ガルバニ電池では、セルポテンシャル ((E_{text{cell}})) は正であり、自発的な反応を示しています。

ガルバニ電池反応の例

典型的な亜鉛–銅セルでは：

アノード反応: Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2e- 
カソード反応: Cu2+ (aq) + 2e- → Cu (s) 
全体のセル反応: Zn (s) + Cu2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Cu (s) 
Ecell = +1.10 V

電解セルとは？

電解セルは、非自発的な反応を駆動するために電気エネルギーを使用する電気化学セルです。基本的にガルバニ電池の反対の役割を果たし、電気エネルギーを化学エネルギーに変換します。電解セルは、非自発的なプロセスを進めるために外部からのエネルギー入力が必要なプロセスで使用されます。

電解セルの構成要素

• アノード：酸化が起こる電極で、電子の損失が特徴です。電解セルでは、アノードは正に帯電しています。
• カソード：還元が行われる電極で、電子の取得が特徴です。電解セルでは、カソードは負に帯電しています。
• 電解質：アノードとカソード間で電流を運ぶイオンを含む物質。
• 電源：