ボルタ電池
銅と亜鉛からなるボルタ電池の模式図。それぞれの銅と亜鉛のペアの中央には、塩水（電解質）に浸した厚紙またはフェルト製のスペーサーが取り付けられていた。ボルタが考案した最初のボルタ電池には、底部に亜鉛の円盤、上部に銅の円盤がそれぞれ1枚ずつ追加されていたが、後にこれらは不要であることが判明した。
イタリア、コモのヴォルタの家の近くにあるヴォルティアーノ寺院（ヴォルタ神殿）に展示されているボルタ電柱
ボルタ電池、パヴィア大学大学歴史博物館。

ボルタ電池は回路に継続的に電流を供給できる最初の電気バッテリーでした。 [ 1 ]これはイタリアの化学者アレッサンドロ・ボルタによって発明され、1799年に実験を発表しました。[ 2 ]この発明は、ボルタと、カエルの足の実験を行った同僚のイタリア人科学者ルイジ・ガルヴァーニとの口論にまで遡ることができます。 [ 3 ]ボルタ電池の使用により、ウィリアム・ニコルソンとアンソニー・カーライルによる水の酸素と水素への電気的分解 (電気分解) (1800年)、ハンフリー・デービーによるナトリウム(1807年)、カリウム(1807年)、カルシウム(1808年)、ホウ素(1808年)、バリウム(1808年)、ストロンチウム (1808年)、マグネシウム(1808年) などの化学元素の発見または単離など、一連の急速な発見が可能になりました。[ 4 ] [ 5 ]

19世紀の電気産業全体は、 1870年代にダイナモ（発電機）が登場するまで、ボルタに関連した電池（ダニエル電池やグローブ電池など）によって電力を供給されていました。 [ 6 ]

歴史

ボルタの発明は、1780年代にルイジ・ガルヴァーニが2つの金属とカエルの脚を回路に繋ぐとカエルの脚が反応するという発見に基づいていました。[ 1 ]ボルタは1794年、2つの金属と塩水に浸した布または厚紙を回路に繋ぐと、それらも電流を発生することを実証しました。1800年には、銅（または銀）と亜鉛の円板（電極）を交互に重ね、塩水に浸した布または厚紙で隔てることで、全体の起電力を増加させました。[ 7 ] [ 8 ]上部と下部の接点を電線で接続すると、ボルタ電池と接続電線に電流が流れました。これが、連続的に充電できる最初の「真の」電池でした。[ 9 ]

アレッサンドロ・ボルタが所有していた多くの科学機器は、ボルタが1778年から1819年まで教鞭を執ったパヴィア大学の大学歴史博物館に保存されている。展示されている機器は残念ながらオリジナルではない。パヴィアに保存されている機器は発明100周年を記念して貸与されたもので、その後火災で失われた。[ 10 ]

アプリケーション

アレッサンドロ・ボルタからジョセフ・バンクスに送られた手紙に掲載された、さまざまな構成のボルタ電池の図。

1800年3月20日、アレッサンドロ・ボルタはロンドン王立協会に手紙を書き、彼の装置を使って電流を起こす技術について説明した。[ 11 ]ボルタ電池について知ったウィリアム・ニコルソンとアンソニー・カーライルはそれを使って水の電気分解を発見した。ハンフリー・デービーは、単一のボルタ電池を含む回路に電流を流す起電力は、2つの金属間の電圧差ではなく化学反応によって発生することを示した。彼はまた、ボルタ電池を使って化学物質を分解し、新しい化学物質を作った。ウィリアム・ハイド・ウォラストンはボルタ電池からの電気は摩擦で発生する電気と同じ効果を持つことを示した。1802年、ワシリー・ペトロフはボルタ電池を使って電弧効果の発見と研究をした。

ハンフリー・デービーとアンドリュー・クロスは、大型のボルタ電池を開発した最初の人物の一人です。[ 12 ]デービーは1808年に王立研究所のために作られた2000対のボルタ電池を使って炭素アーク放電を実証し、 [ 13 ]バリウム、カルシウム、ホウ素、ストロンチウム、マグネシウムの5つの新しい元素を単離しました。[ 14 ]

電気化学

ボルタは起電力は2つの金属の接触時に発生すると信じていたため、ボルタの電柱はこのページに示されている現代の設計とは異なっていました。彼の電柱は、亜鉛と接触する上部に銅の円板を1枚、銅と接触する下部に亜鉛の円板を1枚追加していました。[ 15 ]ボルタの研究と、彼の師ハンフリー・デービーの電磁気学の研究を発展させたマイケル・ファラデーは、磁石とボルタ電柱の両方を電気実験に利用しました。ファラデーは、当時研究されていたすべての「電気」（電力、磁気、熱、動物）は同一のものであると信じていました。この理論を証明するための彼の研究は、30年前にボルタによって提唱された当時の科学的信条と真っ向から対立する2つの電気化学法則を提唱することにつながりました。[ 16 ]この研究分野の理解への貢献により、ファラデーとボルタは共に電気化学の父の一人とみなされています。[ 17 ]ボルタの研究を説明するために上で使用された「電極」と「電解質」という言葉はファラデーによるものです。[ 18 ]

起電力

電柱の強度は起電力（EMF）で表され、単位はボルトです。アレッサンドロ・ボルタの接触張力理論では、ボルタ電池を含む回路に電流を流す起電力は、2つの金属の接触点で発生すると考えられていました。ボルタは、実験では通常塩水であった電解質を重要視していませんでした。しかし、化学者たちはすぐに、電解質中の水が電柱の化学反応に関与し、銅または銀の電極から水素ガスが発生することに気づきました。 [ 4 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

亜鉛と銅の電極が電解質で隔てられた電池の、現代の原子論的理解は以下の通りである。電池が外部回路を通して電流を供給すると、亜鉛陽極の表面にある金属亜鉛が酸化され、電荷を帯びたイオン（Zn 2+）として電解質に溶解し、2つの負に帯電した電子（e−）金属の裏側：

陽極（酸化）: Zn Zn 2+ + 2 e  右矢印  −

この反応は酸化と呼ばれます。亜鉛が電解液に入ると、電解液中の2つの正電荷を帯びた水素イオン（H +）が銅陰極表面で2つの電子を受け取り、還元されて無電荷の水素分子（H 2）を形成します。

陰極（還元）: 2 H + + 2 e−  右矢印  H2​

この反応は還元と呼ばれます。銅から水素分子を形成するために使われる電子は、銅と亜鉛を接続する外部配線または回路によって生成されます。還元反応によって銅の表面に形成された水素分子は、最終的に水素ガスとして泡立ちます。

全体的な電気化学反応は、銅陰極に対応する電気化学対Cu 2+ /Cu (Ox/Red) に直接関与していないことに気づくでしょう。したがって、銅金属ディスクは、ここでは回路内における電子輸送のための「化学的に不活性な」貴金属導体としてのみ機能し、水相における反応には化学的に関与しません。銅は水素発生反応の触媒として作用しますが、この反応は、外部回路を通さずに亜鉛電極で直接（ただし触媒がない場合には速度は遅くなりますが）同様に進行する可能性があります。銅電極は、十分に貴／不活性で触媒活性な金属導体（Ag、Pt、ステンレス鋼、グラファイトなど）に置き換えることができます。全体的な反応は以下のように記述できます。

亜鉛 + 2H +亜鉛2+ + H 2  右矢印  

これは電気化学連鎖表記法によって便利に表現されます。

（陽極：酸化）Zn | Zn 2+ || 2H + | H 2 | Cu （陰極：還元）

ここで、縦棒はそれぞれ界面を表しています。二重の縦棒は、多孔質の段ボールディスクに含浸された電解質に対応する界面を表しています。

スタックから電流が引き出されていない場合、亜鉛/電解質/銅からなる各セルは、塩水電解液によって0.76Vの起電力を生成します。スタック内の各セルからの電圧が加算されるため、上図の6つのセルは4.56Vの起電力を生成します。

乾燥した山

1800年から1830年代にかけて、湿式ボルタ電池の電気源を解明し、特にボルタの接触張力仮説を裏付けるために、高電圧の乾式電池が数多く発明されました。実際、ボルタ自身も、おそらくは偶然に乾燥してしまったボール紙製の電池で実験を行いました。

電流を発生させる乾式堆積物の発見を初めて発表したのは、1802年のヨハン・ヴィルヘルム・リッターであった。ただし、その論文は無名の学術誌に掲載されていた。その後10年間にわたり、この発見は繰り返し新発見として発表された。乾式堆積物の一種にザンボニ堆積物がある。 1814年、フランシス・ロナルズは、発生する電流が非常に小さいため腐食は目に見えないものの、乾式堆積物が金属同士の接触ではなく化学反応によっても機能することを初めて認識した人物の一人であった。[ 22 ] [ 23 ]

乾電池は現代の乾電池の祖先とも言えるでしょう。

参照

参考文献

  1. ^ a b「電池：ボルタ電池」americanhistory.si.edu . 2024年5月12日閲覧。
  2. ^ 「アレッサンドロ・ボルタ｜伝記、事実、電池、発明｜ブリタニカ」 www.britannica.com 2024年4月15日 2024年5月12日閲覧。
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  11. ^ボルタ、アレッサンドロ (1800). 「異なる種類の導電性物質の単なる接触によって励起される電気について」 .ロンドン王立協会哲学紀要(フランス語). 90 : 403–431 . doi : 10.1098/rstl.1800.0018 .この論文の部分翻訳はオンラインで入手可能です。「ボルタと電池」をご覧ください。2012年12月1日閲覧。完全翻訳はディブナー社（ベルン、1964年）に出版された。『アレッサンドロ・ボルタと電池』フランクリン・ワッツ著、pp.  111– 131. OCLC 247967。 
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  22. ^ロナルズ、BF (2016). 『サー・フランシス・ロナルズ：電信の父』ロンドン：インペリアル・カレッジ・プレス. ISBN 978-1-78326-917-4。
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