1-5　電位差を維持する電池

さて、電位差がなくなれば導線には自由電子が流れなくなり、電気は仕事が出来なくなります。そのためには⊖帯電体の電位を保つ、⊖帯電体と⊕帯電体の電位差を保つ必要があります。そこで、電池が登場します。ここでは色々な電池の中で、人類史上最初のボルタの電池（注1）を例に取り上げて、電位を保つことが出来るしくみを説明しましょう！

図1-7にボルタ電池の構成を示しました。

希硫酸水溶液（電解液注3）の中に、亜鉛板と銅板を入れます。亜鉛板から亜鉛イオン（⊕）が電解して溶け出し、残りの価電子は自由電子（⊖）となって亜鉛板に残ります。⊖極の誕生ですね。

　❑亜鉛板：Zn➡Zn²⁺（液中へ）＋２e⁻（亜鉛板に残る）

一方、銅板の銅もイオンになろうとしますが、亜鉛イオン（⊕）は銅イオン（⊕）から遠ざけられてイオン化出来ずに銅板のまま残っています。

電解液は硫酸イオン（⊖）と水素イオン（⊕）に電離しています。水素イオン（⊕）も同じく亜鉛イオン（⊕）の強さから遠ざけられて、銅板の近くに集まっていきます。⊕極の誕生ですね

　❑銅板：H₂SO₄（希硫酸）➡2H⁺（銅板へ）+SO₄²⁻（液中へ）

このままでは、亜鉛板は自由電子（⊖）で⊖極、銅板は水素イオン（⊕）が集まったことで⊕極、亜鉛板（⊖極）と銅板（⊕極）には電位差が生じます。ただし、亜鉛板（⊖極）が自由電子で飽和状態になると、電解液内のイオン化は止まってしまいます。

注1）ボルタ電池➡イタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタが1800年に世界で初めて発明した化学電池（一次電池）。

注2）イオン化傾向➡金属イオンで⊕イオンになりやすい（価電子を自由電子にしやすい）ことをイオン化傾向が高いという。亜鉛Znは銅Cuよりもイオン化傾向が高く、イオンになりやすい。理由については、チャツピーに聞いてみて下さい。

注3）電解液➡イオンを水や有機溶剤に溶かし、電気を通すようにした溶液。希硫酸水溶液は水素イオンと硫酸イオンが電離した電解液

注）「電気の基本としくみがよくわかる本」福田務監修；p58　から引用

次に図1-8に示した電気回路を作ります。亜鉛板と銅板、そして中間に電球をおいてすべてを導線でつなぐのです。

すると、亜鉛板（⊖極）に貯まっていた自由電子⊖は、両極に生じていた電位差で導線内を通って（次々と自由電子が押し出されて）、銅板（⊕極）に移動します。つまり、電流が発生したのです。そのため、電球も点灯しました。銅板に移動してきた自由電子⊖は、銅板近くに浮遊していた水素イオンと結合して、水素ガスとなり気泡となって液中外部に出ていきます。亜鉛板に滞留していた自由電子⊖は次々と継続的に銅板に移動していきます。

その結果、亜鉛板（⊖極）では自由電子が減少してしまうため、再度亜鉛が液中に電離して亜鉛イオンとなり、自由電子を亜鉛板に放出（残留）させて、銅板（⊕極）との電位差を維持します。その結果、これまで通り自由電子⊖を送り出すことができるようになります。⊕極では亜鉛板に滞留していた水素イオン⊕と自由電子⊖が結合して水素ガスを形成して外部に放出されます。

一方、電解液中ではこれまで貯まった亜鉛イオンが飽和状態になり、硫酸イオンと結合して硫酸亜鉛になります。

　❑正極：2H⁺（正極で滞留）＋2e⁻（負極から移動）➡H₂（水素ガス）

　❑電解液：Zn²⁺＋SO₄²⁻➡ZnSO₄（硫酸亜鉛）

ボルタの電池では、自由電子⊖を放出（残留）させた負極と、水素イオン⊕が集結した正極との電位差を維持するため、自由電子は正極に次々と移動していくのです。つまり、ボルタの電池は、電解液中の化学反応によって負極に自由電子を放出（残留）させることで電位差を作る装置であると同時に、導線内の電位差を発生させることができる装置であると言えます。このしくみは全ての電池の役割に共通して言えることで、この役割のお陰で電流を継続的に発生させることが出来ます。

蛇足ですが、電池を「水をくみ上げるポンプ」に例える図を見かけますが、正確には間違いです。水は循環していますが、自由電子は負極での化学反応（電離）で負極に連続的に放出（残留）させられ、それが移動して正極で化学反応をして順次化学反応物を生成、要は消滅してしまいます。それですから、自由電子は循環するのではなく、自由電子は負極で次々と新しく放出されているのです。

注）「電気の基本としくみがよくわかる本」福田務監修；p59　から引用