【中3理科】電池のしくみの要点まとめ｜イオンへのなりやすさとダニエル電池の役割

中3理科「電池のしくみ」を、図と例題で1つずつ確かめるページです。電池は、化学変化から電気エネルギーをとり出す装置です。金属の「イオンへのなりやすさ」を調べると、ダニエル電池で亜鉛板が−極になるわけを、イオンと電子で説明できます。どの見出しも「答え → 図 → 理由 → 解き方」の順に書いています。紙に書いて練習したい人は、下の無料プリントを使ってください。

電気分解の陰極・陽極（塩化銅水溶液・うすい塩酸）は、中3理科の前半で学ぶので、中3理科「イオンと酸・アルカリ」で解説しています。

銅線を硝酸銀水溶液に入れると、何が起こる？

📄 プリント1・2ページ

理由（原子・イオン・電子で見る）：前半（水溶液とイオン）で、金属の原子は電子を失って陽イオンになると学びました。硝酸銀水溶液には銀イオン Ag^＋ が入っています。

• 銅原子が電子を2個失って銅イオンになり、とけ出す：Cu → Cu^2＋ ＋ 2e⁻
• 銀イオンが電子を1個受け取って銀原子になり、銅線に付く：Ag^＋ ＋ e⁻ → Ag
• 水溶液が青色になったのは、銅イオンができたからです（前半の塩化銅水溶液と同じ色）。
• 銅原子1個がとけると、銀原子が2個できます。NO₃⁻ は変化しません。

マグネシウム・亜鉛・銅では、どれがイオンになりやすい？

📄 プリント3ページ

実験：台紙に表をかき、マイクロプレートの穴に、マグネシウム片・亜鉛片・銅片を1つずつ入れます。金属片がひたる程度に、硫酸マグネシウム水溶液・硫酸亜鉛水溶液・硫酸銅水溶液をそれぞれ加え、金属片の表面のようすを見ます。9通りの組み合わせを一度にくらべられ、使う薬品も少なくてすむからです。物質が付着すれば、水溶液のイオンが原子にもどった印です。

結果の表から、なりやすさの順を決める手順：

• 付着した所（3か所）を探す。付着した → 入れた金属片のほうがイオンになりやすい。金属片の原子がイオンになってとけ、水溶液のイオンが原子になって付着したからです。
• 変化なし → 入れた金属片のほうがイオンになりにくい（同じ金属どうしの3か所は、くらべない）。
• 2つずつの結果をつなぐ。マグネシウム ＞ 亜鉛、亜鉛 ＞ 銅 → マグネシウム ＞ 亜鉛 ＞ 銅

金属片を水溶液に入れると、原子とイオンの間で何が起こる？

📄 プリント4ページ

電子の数と、水溶液の変化：亜鉛原子1個は電子を2個失い、その電子2個を銅イオン1個が受け取ります。水溶液の青色がうすくなるのは、銅イオンが減るからです。SO₄²⁻ は変化せず、数も変わりません。

鉄はどこに入る？

鉄の結果から 亜鉛 ＞ 鉄 ＞ 銅 と分かるので、全体では マグネシウム ＞ 亜鉛 ＞ 鉄 ＞ 銅 ＞ 銀 の順になります。

化学変化から電流をとり出す：電池の条件と−極の決め方

📄 プリント5ページ

理由：導線の中を電子が流れると電流になる（中2）ので、4ページの電子を導線に通せば、電流をとり出せます。電気分解とは、エネルギーの向きが逆です。

電流が流れる条件：電解質の水溶液に、2種類の金属を入れて導線でつなぎます。電流が流れたかは、電子オルゴールが鳴るか、モーターが回るかで見ます。

食塩水は中性ですが電解質です。砂糖水・エタノール水溶液は非電解質です（前半）。うすい塩酸の電池では、銅板の表面から気体（水素）が出ます。

−極の決め方：3・4ページの順（マグネシウム ＞ 亜鉛 ＞ 鉄 ＞ 銅 ＞ 銀）で、イオンになりやすい金属を探します。その金属が、電子を金属板に残して陽イオンになり、とけ出します。残った電子が導線を通ってもう一方の金属板へ流れ、電子が出ていく側が−極です（電子は−極から＋極へ流れる。中2）。例：亜鉛と銅 → 亜鉛が−極 ／ マグネシウムと銅 → マグネシウムが−極

ダニエル電池では、何が起こる？

📄 プリント6ページ

つくり方：容器をセロハンで仕切り、一方に硫酸亜鉛水溶液、もう一方に硫酸銅水溶液を入れます（亜鉛板と銅イオンが直接ふれないようにするため）。硫酸亜鉛水溶液に亜鉛板、硫酸銅水溶液に銅板をさしこみ、導線でプロペラつきモーターにつなぎます（光電池用のモーターは、小さな電流でも回るため）。セロハンをとりつけた容器をビーカーに入れる形や、素焼きの板で仕切る形もあります。

エネルギーの移り変わり：化学エネルギー → 電気エネルギー → （モーターで）運動のエネルギー

ダニエル電池の中で、電子とイオンはどう動く？ 極の式

📄 プリント7ページ

極の式の書き方：

• その極で、原子かイオンかを決める。−極では金属の原子がとけ、＋極では水溶液のイオンが付くからです。
• 電子の数を、イオンの右上の数にそろえる。
• e⁻ は、−極では矢印の右に、＋極では左に書く。−極では電子が出ていき、＋極では電子を受け取るからです。
• 電子の向き：亜鉛板 → 導線 → 銅板。電流の向きはその逆で、銅板（＋極）→ 亜鉛板（−極）（中2）。
• 亜鉛原子1個がとけると、電子2個が導線を流れ、銅イオン1個が銅原子1個になる。例：亜鉛原子3個 → 電子6個 → 銅原子3個。

セロハンは、何のためにある？

📄 プリント8ページ

役割1（混ざらないようにする）：混ざると、銅イオンが亜鉛板の表面で、亜鉛原子から直接電子を受け取り、亜鉛板に銅が付きます（4ページと同じ変化）。電子が導線を通らないので、電流がとり出せなくなります。

役割2（イオンを通す）：電流が流れると、亜鉛側は Zn^2＋ がふえて＋の電気が多くなり、銅側は Cu^2＋ が減って SO₄²⁻ があまり、−の電気が多くなります。かたよったままだと、電流が流れ続けません。そこで Zn^2＋ が硫酸銅水溶液側へ、SO₄²⁻ が硫酸亜鉛水溶液側へセロハンを通って移動し、かたよりをなくします。

濃度だけがちがう2つのダニエル電池：硫酸銅水溶液の濃度だけがちがう2つのダニエル電池に同じモーターをつなぐと、濃度がうすいほうが先に止まります。硫酸銅水溶液がうすいと、銅板に付く銅イオンが先になくなってしまうからです。

身のまわりの電池：一次電池と二次電池

📄 プリント9ページ

身のまわりの電池も、化学変化を利用して電気エネルギーをとり出しています。たとえばマンガン乾電池も、−極の亜鉛がイオンになってとけ出す化学変化を利用しています。

名前の似た2つ：名前は似ていますが、リチウム電池は一次電池（使い切り）、リチウムイオン電池は二次電池（充電できる）です。名前で決めず、充電できるかで分けます（ニッケル水素電池も二次電池）。

充電とは：外部から電流を流して、電池を使ったときと逆向きの化学変化を起こし、もとの状態にもどすことです。

燃料電池は、何から電気をとり出す？

📄 プリント10ページ

中のしくみ：−極で、水素分子が電子を失って水素イオンになります。電子は導線を通って＋極へ流れます。＋極で、酸素と水素イオンと電子が結びついて水ができます。

水素と酸素の体積の比：水素と酸素は、体積の比 2：1 で反応します（中2の水の電気分解と同じ）。2：1 より多すぎるほうの気体があまります。例：水素 4mL と酸素 3mL → 水素 4mL と反応する酸素は 2mL なので、酸素 1mL が残る（酸素 3mL と反応するには水素 6mL が要り、水素は足りない）。反応が続いている間は電子オルゴールが鳴り、反応が起こらなくなると鳴らなくなります。

特徴と利用：発電のときに出る物質は水だけで、二酸化炭素などを出さないので、環境への影響が小さいと考えられています（地球温暖化の対策になると期待されている）。利用：燃料電池自動車・家庭用の発電装置・水素燃料電池船。

まとめ

電池は、化学変化を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変えてとり出す装置です。金属には、マグネシウム ＞ 亜鉛 ＞ 鉄 ＞ 銅 ＞ 銀 の順にイオンになりやすい性質のちがいがあり、電解質の水溶液に2種類の金属を入れると、イオンになりやすいほうが−極になります。ダニエル電池では、亜鉛板（−極）で Zn → Zn^2＋ ＋ 2e⁻、銅板（＋極）で Cu^2＋ ＋ 2e⁻ → Cu が起こり、電子は導線を通って−極から＋極へ流れます。セロハンは、水溶液を混ぜずにイオンを通します。充電できない一次電池、充電できる二次電池、水素と酸素から電気をとり出す燃料電池も、化学変化を利用しています。プリントの確認問題で、極の式と電子の数の計算を、手を動かして練習してみてください。