Name: galvanic cells and battery reactions
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 2 min 47 s
Channel: JoVE

自発的な酸化還元反応により電気が発生し、電気機器に電力を供給することができます。しかし、それはどのように機能しますか?
銅と硝酸銀溶液との間の酸化還元反応を考えてみましょう。1つの容器に入れると、銅は酸化されて亜銅イオンになり、銀イオンは銀の沈殿物に還元されます。ここでは、電子の移動は直接的であり、電流は発生しません。
しかし、これらの半反応を物理的に分離し、外部回路で接続すると、電流が流れます。このセットアップは電気化学セルと呼ばれ、さらに自発的な酸化還元反応のためのガルバニックセルまたはボルタ電池として定義されます。
ガルバニ電池は、固体金属電極の半細胞反応混合物を対応する電解質溶液に含む2つの半電池で構成されています。ここでは、硝酸銅水溶液中の銅と硝酸銀水溶液中の銀です。
分離された反応物は細胞電位を経験するが、外部接続がなければ、反応や電子の流れは起こらない。外部に接続すると、電子は外部回路上を間接的に流れるように強制され、それぞれの電極で反応が起こるようになります。
慣例により、酸化は負の電荷を持つアノードで発生し、正の電荷を持つカソードで還元されます。
電子の移動が起こると、酸化ハーフセルにプラスイオンが形成され、還元ハーフセルにマイナスイオンが形成されます。これにより、正と負の電荷が蓄積し、さらなる電子の流れが妨げられるため、反応を進行させるためには継続的に中和する必要があります。
したがって、2つのハーフセルは、硝酸ナトリウムのような不活性電解質のペーストまたはゲルを含む逆U字管である塩橋によってリンクされています。酸化還元反応が進行すると、カウンターイオンがそれぞれのハーフセルに流れ込み、電解質が混ざることなく電荷中性が確保されます。
ガルバニックセルを説明するために、特別な表記法、またはセルの概略図が使用されます。
酸化は左側に、還元は右側で表されます。二重の垂直線は2つのハーフセルを接続するソルトブリッジを示し、1本の垂直線はコンポーネントフェーズ間の界面を示します。
同じフェーズに 2 つ以上のコンポーネントが存在する場合は、コンマで区切られます。

ガルバニ電池

Voltaic/Galvanic Cells

自発的な化学反応
 自然界には、自発的な酸化還元反応が数多く存在します。リモコンに使われている使い捨ての単三電池で起こる化学反応も、自発的な酸化還元反応の一例です。また、コイル状の銅線を硝酸銀の水溶液に浸すと、銅線が徐々に変化します。この反応では、無色から鮮やかな青色に徐々に変化し、灰色の沈殿物が形成されるという、見た目にも印象的な現象が見られます。この実験では、銅が酸化されて1価の銅イオンが生成されて溶液が青くなり、銀イオンが還元されて銅線に銀の析出物ができます。
 上記の反応は以下のようにまとめられます。
 <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11434/11434_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 105px;" />
 ここでは、銅線から水溶液中の銀イオンへの直接的かつ自発的に電子が移動しています。
 電気化学電池とガルバニ電池
 あるデバイスに酸化還元系のすべての反応物と生成物が入っていますが、反応物同士が物理的に接触しない状況を考えます。このとき、電子の直接的な移動は妨げられ、代わりに、分離した反応物に接触する外部回路を介して間接的に電子が移動します。このタイプのデバイスは、一般的に「電気化学電池」と呼ばれます。
 電気化学電池とは、反応する原子が直接接触することなく、酸化還元反応によって電流を発生させるデバイスのことです。自発的な酸化還元反応によって電流が発生する電気化学電池は、ガルバニ電池やボルタ電池（ルイジ・ガルバニとアレッサンドロ・ボルタにちなんで命名）と呼ばれています。
 ガルバニ電池の構成要素 
 Figure 1は、銅と銀(I)の自発的な反応を利用したガルバニ電池を示しています。典型的なガルバニ電池は、2つの半電池で構成されており、それぞれの半電池には、1つの反応物質の酸化還元共役ペアが入っています。左側の半電池には、固体の銅箔と硝酸銅の水溶液からなるCu(0)/Cu(II)の共役対が入っています。右側の半電池には、固体の銀箔と硝酸銀の水溶液からなるAg(I)/Ag(0)の共役対が入っています。それぞれの半電池には固体箔の部分に外部回路が接続されており、銅箔と銀箔がそれぞれ電極として機能します。反応は、各半電池の反応混合物とそれぞれの電極の界面で起こります。陽極は酸化が起こる電極で負の電荷を帯びており、陰極は還元が起こる電極で正の電荷を帯びています。
 2つの半電池は、塩化カリウムや硝酸アンモニウムなどの不活性電解質のゲルやペーストを入れた逆U字管である塩橋によって接続されています。塩橋は、反応混合物を分離して反応の電荷バランスを保つために利用されます。この電池での自発的な反応により、陽極の半電池ではCu2+イオンが生成され、陰極の半電池ではAg+イオンが消費され、その後塩橋からの不活性イオン供給により電荷が補償されます。塩橋は不活性イオンを供給し、陽極と陰極に蓄積した正と負のイオンを中和して反応を継続させます。すなわち、陽極の半電池内で増加するCu2+の濃度は、塩橋からのNO3−の供給によって電荷補償され、一方、陰極の半電池内で減少するAg+の濃度は、塩橋からのNa+の供給によって電荷補償されます。
 <img alt="Image1" src="/files/ftp_upload/11434/11434_Image1.png" style="text-align: center; height: 350px;" />
 Figure 1:銅イオンと銀(I)イオンの自発的な反応を利用したガルバニ電池
 回路図や電池表記法を用いたガルバニ電池の表式化
 ガルバニ電池は、電池回路図や電池表記法を用いて表式化できます。
 •  電池の回路図では、各相間のすべての要素を垂直の平行線で区切ります。 
 •   同一相に複数の構成要素が存在する場合、カンマで区切ります。 
 •   回路図の左側を陽極、右側を陰極とします。 
 •   二重の縦線は、2つの半反応の間にある塩橋または多孔質の仕切りを示します。 
 •   慣例的に、回路図は陽極から始まり、左から右へと進み、セル内の相と各構成要素を経由し、陰極で終わります。
 例えば、上記のガルバニ電池は、固体の銅陽極が硝酸銅（II）水溶液に浸され、塩橋を介して固体の銀陰極が浸された硝酸銀（I）水溶液に接続されています。この文章を上記のガイドラインに沿って記号化すると、電池の回路図ができます。
 <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11434/11434_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 48px;" />
 上記の文章は以下から引用しました。 <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-2-galvanic-cells">Openstax, Chemistry 2e</a><a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-2-galvanic-cells">,</a><a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-2-galvanic-cells">17.2 Galvanic Cells. </a>

自然発生的な化学反応
自然界では、自然界で自然に起こる酸化還元反応が豊富に起こります。使い捨ての単三電池で起こる化学反応は、...

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KEY TERMS AND CONCEPTS

主要用語と概念

galvanic cells and battery reactions

Galvanic cells use spontaneous redox reactions to produce electric current. A common example is a disposable AA battery, which powers devices by turning chemical energy into electrical energy. Another example is a copper wire placed in silver nitrate solution, where the solution slowly turns bright blue and a grey solid forms on the wire.

In the copper and silver reaction, copper is oxidized and silver ions are reduced. Copper forms cuprous ions, which give the solution its blue color. At the same time, silver ions gain electrons and become silver metal on the copper wire. This is a direct, spontaneous transfer of electrons from copper to the aqueous silver ions.

An electrochemical cell keeps the reactants and products of a redox reaction in the same device but prevents the reacting atoms from touching. Because of this separation, electrons move indirectly through an external circuit instead of moving by direct contact. When the current comes from a spontaneous redox reaction, the cell is called a galvanic cell or a voltaic cell. These names come from Luigi Galvani and Alessandro Volta.

A galvanic cell has two half-cells, and each half-cell contains one redox couple. In the copper-silver cell, the left half-cell contains the Cu(0)/Cu(II) couple as solid copper foil in copper nitrate solution. The right half-cell contains the Ag(I)/Ag(0) couple as solid silver foil in silver nitrate solution. Each metal foil is an electrode because the external circuit connects to it.

The reaction happens at the boundary between each solution and its electrode. Oxidation occurs at the anode, which carries a negative charge. Reduction occurs at the cathode, which carries a positive charge. The two half-cells are joined by a salt bridge, an inverted U-tube with a gel or paste of an inert electrolyte such as potassium chloride or ammonium nitrate.

The salt bridge keeps the half-reactions separate and helps maintain charge balance. As copper ions build up in the anode half-cell, inert nitrate ions move in to balance the charge. At the cathode, silver ions are used up, so inert sodium ions can move in to compensate. This ion flow helps the cell keep running.

A galvanic cell can also be written as a cell notation, or cell schematic. Vertical lines show phase boundaries, and a double line shows the salt bridge or a porous partition. By convention, the anode is written on the left and the cathode on the right. The notation starts with the anode and moves left to right through each phase and interface until it ends at the cathode, such as in the copper-silver cell described here.

Galvanic Cells and Battery Reactions

balancing redox equations

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electromotive force

Cell Voltage and Electron Flow

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voltaic/galvanic cells

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key terms and concepts

Explore how galvanic cells turn spontaneous redox reactions into electric current, using battery chemistry, half-cells, electrodes, salt bridges, and cell notation.

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