ダニエルセル

ダニエル電池は、1836年にイギリスの化学者で気象学者のジョン・フレデリック・ダニエルが発明した電気化学電池の一種で、硫酸銅(II)溶液を満たした銅鍋に、硫酸と亜鉛電極を満たした素焼きの陶器の容器を浸した構造である。ダニエルは、電池スタックに見られる水素気泡の問題を解決する方法を模索しており、その解決策として、最初の電解液で発生した水素を消費するために2つ目の電解液を使用するという方法を見つけた。硫酸の代わりに硫酸亜鉛を使用することもできる。ダニエル電池は、電池開発の初期に使用されていた既存の技術を大幅に改良した。ダニエル電池の派生型である重力電池またはクロウフット電池は、1860年代にフランス人のキャラウドによって発明され、電信でよく使われるようになった。

ダニエル電池は、国際単位系における起電力の単位であるボルトの現代的な定義の歴史的根拠でもある。1881年の国際電気会議で提案された電気単位の定義は、ダニエル電池の起電力が約1.0ボルトになるように設計された。^{[1] [2]}現代的な定義では、ダニエル電池の25°C（77°F）での標準電位は実際には1.10Vである。^[3]

ダニエルセルでは、銅電極と亜鉛 電極がそれぞれ硫酸銅(II)と硫酸亜鉛の溶液に浸されます。

陽極（負極）では、亜鉛は次の半反応に従って酸化されます。

亜鉛
_（秒）→亜鉛²⁺
_（水性）+ 2e ⁻ . . （標準電極還元電位−0.7618 V ）^{[4] [5]}

カソード（正極） では、銅は次の反応に従って還元されます。

銅²⁺
_（水性） + 2e ⁻ →銅
_（秒）. . （標準電極還元電位+0.340 V）

化学エネルギーの減少により、正に帯電した銅イオンが正極に向かって移動することに注意してください。

全体の反応は次のようになります。

亜鉛
_（秒）+銅²⁺
_（水性）→亜鉛²⁺
_（水性）+銅
_（秒）. . （開放電圧 1.1018 V）

これらのプロセスの結果、陰極に固体銅が蓄積し、亜鉛電極が亜鉛カチオンとして溶液中に腐食します。

教室でのデモンストレーションでは、その単純さから、2 つの半電池として知られるダニエル電池の形式がよく使用されます。2 つの半電池はそれぞれ、上記の反応の半分をサポートします。2つの電極を電線と電球で接続できます。亜鉛金属の酸化によって生成された余分な電子は、負極である陽極から「押し出され」、電線を通って銅陰極に「引き込まれ」、銅イオンの還元によって消費されます。これにより電流が供給され、電球が点灯します。

どちらの半反応も独立して起こることはないので、2 つの半電池はイオンが自由に移動できるように接続する必要があります。多孔質バリアまたはセラミックディスクを使用して、2 つの溶液を分離しながら硫酸イオンの流れを許可することができます。半電池を 2 つの完全に異なる別々の容器に配置する場合、 2 つの電池を接続するために塩橋がよく使用されます。塩橋には通常、高濃度の硝酸カリウム (どちらの半電池でも化学的に反応を妨げない塩) が含まれています。上記の湿電池では、放電時に塩橋の硝酸アニオンが亜鉛半電池に移動し、亜鉛の増加を相殺します。^2歳以上
同時に、塩橋のカリウムイオンが銅半電池に移動し、銅を置換します。^2歳以上
イオンが銅電極上に沈殿します。

セルが電位源（例：バッテリー充電器）に接続され、その電位差がセルの起電力（1.1 V）よりわずかに高くなると、電流の流れが逆転し、反応は次のようになります。

亜鉛²⁺
_（水性）+ 2e ⁻ →亜鉛
_（秒）

銅
_（秒）→銅²⁺
_（水性） + 2e ⁻

または、

亜鉛²⁺
_（水性）+銅
_（秒）→亜鉛
_（秒）+銅²⁺
_（水性）

したがって、ダニエル電池は、そこから引き出される（または供給される）電流が小さい場合、可逆的です。ダニエル電池は、電極を消費して電気を「生成」したり、電気を蓄えたりするために使用できます。

ダニエルが初めてセルを製作したのは 1836 年です。^[6] 彼の当初の設計は、直径 3.5 インチの銅製シリンダーでした。多数の穴が開いた銅製ディスクが、上部から下がったシリンダーを横切って配置されました。牛の食道の管が、穴の開いた銅製ディスクの中央の大きな穴から垂れ下がっていました。直径 0.5 インチの亜鉛棒が、木製の支柱から吊り下げられたこの牛の食道の管の中に垂れ下がっていました。銅製の容器には、硫酸銅で飽和した硫酸溶液が、穴の開いたディスクの高さより上まで満たされていました。牛の食道の管には硫酸溶液が満たされていました。硫酸銅の結晶が穴の開いた銅製ディスクの上に積み重ねられ、溶液が飽和した状態を保っていました。牛の食道は、イオンが通過できる多孔質の膜として機能します。ダニエルは、実用的な便宜上、牛の食道の代わりに多孔質の陶器の管を使用してもよいと述べていますが、この配置では生成される電力が少なくなります。ダニエルがセルを改良するために提案したもう一つの方法は、銅をプラチナに、硫酸銅を塩化プラチナに置き換えるというものだったが、彼は「そのような配置は完璧だが、通常の用途にはコストがかかりすぎる」と述べている。^[7] 電信で広く使われるようになったのは、多孔質のポット型のセルである。

多孔質ポットセルは、硫酸亜鉛溶液が入った多孔質の陶器のポットに浸された中央の亜鉛陽極で構成されています。多孔質ポットは、銅缶に入った硫酸銅溶液に浸されており、^{[説明が必要]}セルの陰極として機能します。多孔質バリアを使用すると、イオンは通過できますが、溶液が混ざることはありません。このバリアがないと、電流が流れていないときに銅イオンが亜鉛陽極に流れ、電流を生成せずに還元されるため、バッテリーの寿命が短くなります。 ^[8]硫酸を硫酸亜鉛に置き換えたのは、1853年のJFフラーの発明でした。これにより、セルの寿命が延びました。^[9]

時間が経つにつれて、銅の蓄積が陶器のバリアの細孔を塞ぎ、電池の寿命を短くします。しかし、ダニエル電池は、電解液が陰極に絶縁体である水素ではなく導体である銅を堆積させるため、ボルタ電池よりも長く、より安定した電流を供給します。また、より安全で腐食性も低いです。動作電圧は約1.1ボルトで、1860年代後半にルクランシェ電池に取って代わられるまで、電信ネットワークで広く使用されていました。^[10]

1860年代のある時期、フランス人のカラウドが、多孔質バリアを省いたダニエル電池の変種を発明しました。^[10] 代わりに、硫酸亜鉛の層が硫酸銅の層の上に置かれ、2つの液体は密度の違いによって分離され、蒸発を防ぐために上部に油の層が追加されることがよくあります。これによりシステムの内部抵抗が低減し、バッテリーはより強い電流を生み出します。

この変種は重力セルと呼ばれ、ガラス瓶の底に銅の陰極、縁の下の硫酸亜鉛層の亜鉛陽極が吊り下げられた構造になっています。陰極の周りには硫酸銅の結晶が散らばっており、瓶には蒸留水が満たされています。電流が流れると、陽極の周囲に硫酸亜鉛溶液の層が形成されます。この上層は、密度が低いこととセルの極性により、下層の硫酸銅層とは分離されています。重力セルの欠点は、2 つの溶液が拡散によって混ざらないようにするために電流を継続的に流さなければならないため、断続的な使用には適していないことです。さらに、電流が多すぎると層が混ざり、完全性が失われる恐れがありました。

電極の独特な形状からクロウフットセルと呼ばれることもあるこの配置は、大型のマルチセル電池のコストが低く、米国と英国の電信ネットワークですぐに選ばれる電池となった。ほとんどの電信線がモーター発電機で動くようになった後も、重力電池は少なくとも1950年代まで、中継所でローカル回線に電力を供給するために使用され続けた。^[11] 電信業界では、この電池は電信作業員自身によって現場で組み立てられることが多く、電池が消耗すると、消耗した部品を交換することで再生できた。^[12]硫酸亜鉛層は濃い青色の硫酸銅層とは対照的に無色であるため、技術者は一目で電池の寿命を判断できる。一方で、この構成では電池は固定式の機器でしか使用できず、そうでないと溶液が混ざったりこぼれたりする。

ダニエルセルの変種は、ガイ病院の医師ゴールディング・バードによって 1837 年に発明されました。バードは、溶液を分離するために石膏の障壁を使用しました。バードのこのセルの実験は、電気冶金学という新しい分野にとって重要な意味を持ちましたが、バード自身はこの分野を追求しませんでした。彼の関心は電気療法でした。バードの実験から得られた驚くべき結果は、金属電極と接触することなく、多孔質石膏と石膏を流れる静脈に銅が沈着したことでした。実際、あまりに驚くべきことだったので、マイケル・ファラデーを含む電気化学研究者は、最初はそれを信じませんでした。バード自身も、結果に確信を持つ前に、おそらく銅の「ウィスカー」の成長による不注意な接触がないか、自分の装置を注意深く調べなければなりませんでした。銅やその他の金属の沈着は以前にも指摘されていましたが、以前は常に金属電極上の金属でした。^{[13] [14]}

リバプールの楽器製作者ジョン・ダンサーは、1838年に銅メッキ用のダニエルセルのユニークな特徴を初めて商業的に利用した。現在では電気鋳造として知られるこの方法で、ダンサーは多孔質のバリアを鋳型として使用することで、望みの形状の物体を作れることを発見した。しかし、他にも多くの人が同じ発見をしており、トーマス・スペンサーとの特許紛争では、バードが原理の優先権を持っていることが指摘された。電気鋳造の発明の功績は、通常、ロシア人のモーリッツ・フォン・ヤコビに帰せられる。^[13]

ウィキメディア・コモンズには、ダニエル細胞に関連するメディアがあります。

• ブンゼンセル
• バッテリーの歴史
• 一次細胞の用語

• Saslow, Wayne M. (1999)、「物理学者のためのボルタ電池: 2 つの表面ポンプと内部抵抗」、American Journal of Physics、67 (7): 574–583、Bibcode :1999AmJPh..67..574S、doi :10.1119/1.19327
• レスター、ジェームスC.ヴィカリ、ローザ・マリア。パラグアス、ファビオ (2004)、レスター、ジェームス C.ヴィカリ、ローザ・マリア。パラグアス、ファビオ (編)、化学教育のためのダニエルセルの定性的モデル、コンピューターサイエンスの講義ノート、vol. 3220、土井：10.1007/b100137、hdl：10092/340、ISBN 978-3-540-22948-3、S2CID  24433795

• 「ダニエル・セル」（ビデオ）。youtube.com。2021年8月12日。

• ダニエル細胞実験