レモン電池

レモン電池は、教育目的で作られることが多い簡単な電池です。通常、亜鉛金属片（亜鉛メッキされた釘など）と銅片（ペニーなど）をレモンに挿入し、ワイヤーで接続します。金属の反応によって生成された電力は、発光ダイオード（LED） などの小型デバイスに電力を供給するために使用されます。

レモン電池は、1800年にアレサンドロ・ボルタが発明した、レモン汁の代わりに塩水を使った最初の電池に似ています。 ^[1]レモン電池は、電池で起こる化学反応（酸化還元反応）の種類を示しています。 ^{[2] [3] [4]}亜鉛と銅は電極と呼ばれ、レモンの中の汁は電解質と呼ばれます。レモン電池には、さまざまな果物（または液体）を電解質として使用し、亜鉛と銅以外の金属を電極として使用する多くのバリエーションがあります。

レモン電池の作り方や、発光ダイオード（LED）、電気メーター（マルチメーター）、亜鉛メッキされた釘やネジなどの部品の入手方法については、数多くの説明書が出版されている。^{[5] [6]}市販の「ポテト時計」科学キットには、電極と低電圧デジタル時計が含まれている。1つのセルを組み立てた後、マルチメーターを使用してボルタ電池からの電圧または電流を測定できる。レモンの場合、典型的な電圧は0.9Vである。電流はより変動しやすいが、最大約1mAの範囲である（電極表面が大きいほど、電流は大きくなる）。より目に見える効果を得るには、レモン電池を直列に接続してLED（図を参照）やその他のデバイスに電力を供給することができる。直列接続により、デバイスに利用できる電圧が増加する。スワートリングとモーガンは、低電圧デバイスのリストと、それらに電力を供給するために必要なレモン電池の個数を発表している。その中には、LED、圧電ブザー、小型デジタル時計などが含まれていた。亜鉛/銅電極では、これらのデバイスのいずれにも少なくとも2つのレモン電池が必要でした。^[7]亜鉛電極をマグネシウム電極に置き換えると、より高い電圧（1.5〜1.6 V）の電池になり、1つのマグネシウム/銅電池でいくつかのデバイスに電力を供給できます。^{[7]レモン電池は白熱電球を点灯させるのに十分な電流を生成するように設計されていないため、懐中電灯の}白熱電球は使用されないことに注意してください。このような電池は通常、電位差0.7 Vで0.001 A（1 mA）の電流を生成します。これらの値を掛け合わせると、全体の電力は0.0007 W（0.7 mW）になります。

酸性電解液には、多くの果物や液体を使用できます。果物は、電解液と電極を支える簡単な方法の両方を提供するので便利です。柑橘類（レモン、オレンジ、グレープフルーツなど）に含まれる酸はクエン酸です。測定されたpHによって示される酸性度は、大幅に異なります。

ジャガイモにはリン酸が含まれており、よく機能する。市販の「ジャガイモ時計」キットのベースとなっている。^{[8] [9]} LED照明付きのジャガイモ電池は、貧困国や電力網のない地域での使用が提案されている。2010年に始まった国際研究によると、ジャガイモを8分間茹でると電気出力が向上することが示されており、ジャガイモのスライスを複数の銅板と亜鉛板の間に挟むと効果も向上する。スリランカの研究者によると、茹でて刻んだプランテンの髄（茎）も適しているという。 ^[10]

果物の代わりに、様々な容器に入った液体を使うこともできる。家庭用の酢（酢酸）も有効である。^[11] ザワークラウト（乳酸）は、米国のテレビ番組「ヘッド・ラッシュ」（怪しい伝説の番組から派生した番組）の1つのエピソードで取り上げられた。ザワークラウトは缶詰で、缶自体が電極の1つであると同時に電解質となった。^[12]

亜鉛と銅の電極は比較的安全で入手も容易です。鉛、鉄、マグネシウムなどの他の金属も研究対象となり、亜鉛/銅のペアとは異なる電圧を生み出します。特に、マグネシウム/銅電極はレモンセルで最大1.6Vの電圧を生成できます。この電圧は亜鉛/銅セルで得られる電圧よりも高く、標準的な家庭用電池（1.5V）の電圧に匹敵し、セルを直列に接続せずに単一のセルでデバイスに電力を供給するのに役立ちます。^[7]

最も若い5～9歳の生徒にとって、教育目標は実利的なものである。^[13]電池は、導電性の材料で接続されている限り、他の機器に電力を供給できる装置である。電池は電気回路の構成要素であり、電池と電球の間に1本の電線を接続しても電球に電力は供給されない。

10〜13歳の子供の場合、電池は化学と電気の関係を説明し、電気の回路の概念を深めるために使用されます。銅や亜鉛などのさまざまな化学元素が使用されているという事実は、元素が化学反応を起こしても消えたり分解したりしないという大きな文脈で捉えることができます。

高学年の生徒や大学生にとって、電池は酸化還元反応の原理を説明するのに役立ちます。^{[13] [14]}生徒は、2つの同一の電極からは電圧が出ないことや、異なる金属の組み合わせ（銅と亜鉛以外）では異なる電圧が出ることを発見できます。電池を直列および並列に組み合わせた場合の電圧と電流を調べることができます。^[15]

メーターを通して電池から出力される電流は、電極の大きさ、果物に電極が挿入される距離、電極同士がどれだけ近いかによって異なりますが、電圧はこれらの電極の詳細とはほとんど関係ありません。^[16]

ほとんどの教科書では、レモン電池の化学反応について次のモデルが紹介されています。^{[1] [3] [17]}セルが外部回路を通じて電流を流しているとき、亜鉛電極の表面にある金属亜鉛が溶液に溶解しています。亜鉛原子は電荷を帯びたイオン(Zn ²⁺ ) として液体電解質に溶解し、金属内に 2 つの負に帯電した電子(e ^{− ) を残します。}

この反応は酸化と呼ばれます。亜鉛が電解液に入ると、電解液からの 2 つの正に帯電した水素イオン (H ⁺ ) が銅電極の表面の 2 つの電子と結合し、電荷のない水素分子 (H ₂ ) を形成します。

この反応は還元と呼ばれます。銅で水素分子を形成するために使用される電子は、銅と亜鉛を接続する外部ワイヤを介して亜鉛から転送されます。還元反応によって銅の表面で生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。

この化学反応モデルは、2001 年に Jerry Goodisman が発表した実験で検証されたいくつかの予測を立てています。Goodisman は、レモン電池の化学反応として銅電極が電解液に溶解するという最近の多くの著者の主張を指摘しています。Goodisman は、この反応は実験と矛盾するとして除外し、銅電極での水素の発生を伴うが銅の代わりに銀も使用できる正しい化学反応は長年知られていると指摘しています。^[4]モデルの詳細な予測のほとんどは、開回路 (電池には他に何も接続されていない) でメーターによって直接測定される電池の電圧に適用されます。硫酸亜鉛(ZnSO ₄ )を追加して電解液を変更すると、モデルのネルンストの式を使用して予測されたように、セルからの電圧が低下しました。ネルンストの式は基本的に、硫酸亜鉛をさらに追加すると電圧がどれだけ低下するかを示しています。硫酸銅 (CuSO ₄ ) を追加しても電圧には影響しませんでした。この結果は、電極からの銅原子がセルの化学反応モデルに関与していないという事実と一致しています。

バッテリーが外部回路に接続され、大きな電流が流れると、上記の亜鉛酸化反応から予測されるように、亜鉛電極の質量が減少します。同様に、銅電極から水素ガスが泡として発生します。最後に、セルからの電圧は、pH で測定される電解質の酸性度に依存します。酸性度が下がると (pH が上がると)、電圧は下がります。この効果はネルンストの式でも予測されます。使用された特定の酸 (クエン酸、塩酸、硫酸など) は、pH 値以外では電圧に影響を与えません。

ネルンストの式の予測は、強酸性電解質 (pH < 3.4) では失敗しました。これは、バッテリーが回路に電流を供給していない場合でも、亜鉛電極が電解質に溶解するためです。上記の 2 つの酸化還元反応は、外部回路を介して電荷を輸送できる場合にのみ発生します。追加の開回路反応は、開回路下で亜鉛電極に泡が形成されることで確認できます。この影響により、最終的に、最高レベルの酸性度でセルの電圧は室温付近で 1.0 V に制限されました。

エネルギーは、亜鉛が酸に溶解する際の化学変化から生じます。エネルギーはレモンやジャガイモから生じるのではありません。亜鉛はレモンの中で酸化され、その電子の一部を酸と交換してより低いエネルギー状態に達し、放出されたエネルギーが電力を供給します。^[4]

現在、亜鉛は硫酸亜鉛の電解採取、または炭素による亜鉛の乾式冶金還元によって生産されていますが、これにはエネルギーの投入が必要です。レモン電池で生成されるエネルギーは、この反応を逆転させることで得られ、亜鉛生産中に投入されたエネルギーの一部を回収します。

1840年から19世紀後半にかけて、亜鉛電極と硫酸電解液を使用した大型のボルタ電池が印刷業界で広く使用されていました。レモン電池のような銅電極が使用されることもあったが、1840年にアルフレッド・スミーは銅電極の代わりに粗いプラチナコーティングを施した銀を使用した改良版の電池を発明した。 ^{[18] [19]}銀または銅電極の表面に付着した水素ガスは、電池から引き出せる電流を減少させます。この現象は「分極」と呼ばれます。^{[17] [20]}粗く「プラチナコーティング」された表面は水素ガスの泡立ちを速め、電池からの電流を増加させます。亜鉛電極とは異なり、銅またはプラチナコーティングされた銀電極は電池の使用によって消費されず、この電極の細部は電池の電圧に影響を与えません。スミー電池は、新聞や本の活版印刷用の銅版、さらには彫像やその他の金属物体を生産する電鋳に便利でした。^{[19] [21] [22] [23] [24]}

スミーセルは、純粋な亜鉛の代わりにアマルガム亜鉛を使用していました。アマルガム亜鉛の表面は水銀で処理されていました。^[23]アマルガム亜鉛は、純粋な亜鉛よりも酸性溶液による劣化が少なかったようです。^[25]アマルガム亜鉛と普通の亜鉛の電極は、亜鉛が純粋である場合、基本的に同じ電圧を発生します。^[26] 19世紀の研究室で不完全に精製された亜鉛では、通常、異なる電圧が発生しました。^[25]

• ビデオゲーム「ポータル2」では、敵対者のGLaDOSが、ゲームの大部分でジャガイモの電池で動くコンピュータに組み込まれている。^[27]
• ビッグバン・セオリーシーズン 6 のエピソード「プロトン復活」では、レナードとシェルドンの子供時代のヒーローであるプロトン教授 (ボブ・ニューハート) がグループにジャガイモ電池を見せようとし、ペニーを驚かせます。
• 『ボーンズ』シーズン 6 のエピソード「吹雪の中の停電」では、アンジェラと他の「スクインツ」が、携帯電話に電力を供給しようと、巨大なジャガイモ電池アレイを構築します。このようなシステムの悲惨なほど低い出力を示すように、数十個のジャガイモを使用しても、ほんの数秒間しか機能しません。
• テレビ番組『レッド・ドワーフ』 （第10シリーズ（シリーズX） ）のエピソード「レモンズ」では、乗組員はタイムマシンのリターナーリモコンに電力を供給するレモン電池を作るためにレモンを手に入れるために、西暦23年にイギ​​リスからインドまで4,000マイルを旅します。^[28]
• ミステリー・サイエンス・シアター 3000の最終シーズンの第 6 話では、悪役のパール・フォレスターがジャガイモ電池を使って世界征服を企てましたが、その計画はボボ教授によって台無しにされました。
• NCISシーズン7エピソード8「パワーダウン」では、停電中に電池が切れたアビー・シュートがステレオの電源としてレモンを使う。^[29]
• マグナムPIシーズン3、エピソード2「Easy Money」では、マグナムがレモン電池を使ってトランシーバーを充電します。
• テリー・プラチェットとスティーブン・バクスターの『The Long Earth』では、ある宇宙から別の宇宙へ移動するために使われる装置はジャガイモの電池で動いているように見える。^[30]
• 『アンという名の少女』シーズン2第10話「成長する世界の宝」では、アンとクラスメイトたちはジャガイモ電池を使って、新しい先生の型破りな教授法からどれだけ多くのことを学んだかを町の人々に証明する。^[31]

• 電池の種類一覧
• アレッサンドロ・ボルタ
• 電気化学セル
• ガルバニ電池
• ガルバニック腐食
• ラザニアセル
• ペニー電池

• 「Maglab - シンプルな電気セルチュートリアル」。米国国立高磁場研究所。 2012年11月30日閲覧。亜鉛と銅の電極を備えた酸性セルの説明。JAVA ベースのアニメーションも含まれています。アニメーションでは、亜鉛が電解液に溶解し、亜鉛から銅電極に電子が流れ、銅電極から小さな水素の泡が出てくる様子が示されています。また、アニメーションでは、1 つのセルで LED を点灯できることが示されていますが、これは可視光を発する LED では不可能です。
• マーグルズ、サマンサ (2011)。「レモン電池は本当に機能するのか?」。ミスバスターズ サイエンスフェアブック。スコラスティック。pp. 104–108。ISBN 9780545237451. 2012年10月7日閲覧。オンラインプレビューのみ。

• レモン電池のビデオ。レモン電池が内部からどのように機能するかを詳細に説明した、クールで楽しいアニメーションビデオです。
• オレンジ色の電池のビデオ。オレンジ色の電池は安価なデジタル時計に電力を供給します。
• YouTubeのジャガイモ電池ビデオ。直列に接続された 3 つのジャガイモ電池が電卓に電力を供給します。