13無機工業化学

エネルギーとネットがつながりつつあります。電池が物質とエネルギーを橋渡しするものだとすれば、ネットは情報を橋渡しするものです。

情報網と電力網をあわせたスマートグリッド構想が進んでいます。限りある資源を賢く使う時代です。

マッチとロウソク

廃れてゆく技術がある。マッチと銀塩写真は無機工業化学の最高傑作であったが、その歴史は幕を閉じたと言っていい。

放電管－ネオンランプ、蛍光灯－

西暦	出来事

	ものさし（長さ）
◇ 17世紀
1604	◇ ガリレイ（伊）落体の法則を発見、地動説を発表。
	振り子時計（ ⏱ 時間）
	リンを発見。
	温度計 ( 温度)
◇ 18世紀
◇ 第一次産業革命（鉄鋼と石炭、動力） ▶ 工業社会（Society 3.0）
◇ 19世紀
1800	ボルタ（独）ボルタ電堆
1827	マッチ
◀ ◇ 第二次産業革命（電気と石油、エネルギー） ▶
◇ 20世紀
1903	オーストリアの科学者・発明家であるカール・ヴェルスバッハがセリウム70%鉄30%の合金（フェロセリウム）の発火石を発明。
◀ ◇ 第三次産業革命（半導体、デジタルコンピュータと AD変換） ▶
1961	日本の吉永プリンス株式会社が、国産ガスライター
1970	電子ライター電池式、圧電素子式
◀ ◇ 第四次産業革命（ネットとビッグデータ）

◇ 銀塩写真と写真看板

電池と日用品

生活と電池

モノ	電気エネルギー/ kWh

一日あたりの住宅	11 *
スマホ１回充電	0.001
自動車	40
かつ丼	1

表 5 . ブラウザからアクセスできるＰＣやスマホ電池の状態

項目	説明	例

残量（ＳＯＣ ^1 ) ）	バッテリーの貯蓄率（％）として読み取り可能。	満充電時から測定した放電容量ではなく、公称容量[Ah]を使用する場合があります。またSOC- OCV曲線から推定することもあります。容量維持率とも。
満充電までに必要な時間	秒単位で読み取り可能＝電池の内部抵抗と充電電圧から計算
枯渇するまでの残り時間	秒単位で読み取り可能＝残り容量／（消費電力／公称電圧）
劣化率（ＳＯＨ ^2 ) ）	現在、未対応状態監視保全のために必要。
電圧	現在、未対応	公称電圧より大幅に下がった場合、緊急保全が必要。内部短絡などの恐れも。
内部抵抗	現在、未対応
温度	現在、未対応、過熱時のアラート発生に必要。
湿度	現在、未対応
結露	現在、未対応、水没時の短絡などアラート発生に必要。

ＰＣやスマホの電池の状態は、ブラウザからアクセスできます。いずれ、自動車や住宅の電池の状態もブラウザからアクセスできるようになるでしょう。バッテリの状態はjavaとhtml5で読み取ります。バッテリーでユーザー追跡可能になります。この電池は誰が作ったのか、逆追跡も可能になるでしょう。

図 3 . 電池の種類

	電池	電池式	性質や特色

歴史的電池	1800 ガルバノ電池（ボルタ電堆）	Zn\|H₂SO₄aq\|Cu	銅は単なる集電体。正極活物質は酸素。
歴史的電池	ダニエル電池	Zn\|Zn²⁺aq\|\|Cu²⁺aq\|Cu	正極活物質と負極活物質が分離。集電体は反応系を兼用
一次電池	1888 乾電池 ^3 )	Zn\|NH₄Claq\|MnO₂,C\|C	正極活物質に酸化物（固体）とバインダーを採用。正極合材。負極活物質の亜鉛は両性金属なので、アルカリに溶けてしまう。
	1950 アルカリ乾電池	Zn \| KOHaq \| MnO₂,C \| Ni
	◇ ⚔ 1941 第2次世界大戦 (太平洋戦争)
	1970 リチウム電池	Li \| LiClO₄,PC \| MnO₂,C \| SUS304	有機電解液採用。
二次電池	1991 リチウムイオン電池 ^4 )	(-) Cu \| C \| LiPF₆,EC+DEC \| LiCoO₂,C \| Al (+)
	鉛電池		鉛は両性金属だが、硫酸には溶けない。
	ニカド電池 *	Cd\|Cd(OH)₂\|KOH aq\|NiOOH	亜鉛と違ってカドミウムは両性金属でないのでアルカリに溶けない。
	ニッケル水素電池	MH\|KOH aq\|NiOOH	水素吸蔵合金はアルカリに溶けない。

https://www.baj.or.jp/battery/knowledge/structure.html ^5

) ^6

) ^7

)

イタリアの解剖学者Lugi Galvani(1737-1798)は、蛙の解剖に端を発した二つの異種金属を接触させたときに流れる電流を動物電気と称した(1979)。この現象は直ちに同国のAlessandoro Count Volta(1745-1827)により追試され、ボルタの電堆として実証された（1800年3月）。 Galvaniの業績をたたえてこの種の電池をガルバニ電池と呼んでいる。

小沢昭弥ら、現代の電気化学 ^8

)

懐中電灯やラジオだけでなく、スマホの充電用に災害向けのポータブル電池もあります。

実用電池での活物質の組み合わせと起電力



電池式	Zn \| KOH \| MnO2 , C \| Ni
カソード反応（正極）	2MnO₂+ 2H₂O+ 2e- → 2MnOOH+2OH^- `E`º = 0.215V
アノード反応（負極）	Zn(OH₄)^2- +2e^- ← Zn+4OH^- `E`º = -1.285V
全反応	2MnO₂+ Zn+ 2H₂O+ 2OH^- → 2MnOOH+ Zn(OH₄)^2-
起電力/V	`E`º = 1.5V (公称電圧)
理論容量（電力原単位）	224.0mAh/g
理論重量エネルギー密度	336.0mWh/g
形状・寸法	円筒（AM3、AM4）、ボタン（LR44）
用途	リモコン、電動ハブラシ、玩具、懐中電灯、時計

乾電池は酸化マンガン（Ⅳ）と炭素材料の粉末をペースト化して正極合材とし、亜鉛缶に詰める。そこに集電体の炭素棒を突き刺す。リチウムイオン電池は、アルミニウムの集電体にコバルト酸リチウムと炭素材料の粉末を合材スラリーにして塗布・乾燥し、正極とする。電池の製造には、材料ばかりでなく、混合、塗布、乾燥などの技術が必要となる。

二次電池とキャパシタ

二次電池には鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池などがある。

太陽電池で発電した電池はどこかにためる必要がある。ニッケル水素電池は充電式電池として広く利用されている。東日本大震災で売り出されたソーラーライトは、生産終了してしまった。それはどのような理由が考えられるか？

1000mAhのお手軽モデルに充填されている水酸化ニッケルは何グラムか？

音楽プレーヤーを支える材料

音の高低（動物・楽器の出せる音）

マイク

表 7 . 🎤 マイク ( 入力装置、圧力センサー )

項目	コンデンサマイク（エレクトレット）	ダイナミックマイク

感音材料	誘電体（圧電体）（セラミックス）	磁性体（金属）
原理	コンデンサによる静電容量の変化を捕らえます。	コイルによる起電力を捉えます。
用途	スマホ、ＰＣ	スマートスピーカー
歴史	昭和(戦後)	平成（スマホ）、昭和（イヤホン）

テレワークや電話に必須。

スピーカー

表 8 . 🔊 スピーカーとヘッドホン ( 出力装置 )

項目	圧電スピーカー	ダイナミックスピーカー

発音材料	圧電体（セラミックス）	磁性体（金属）
用途	スマホ、ＰＣ	スマートスピーカー
歴史	昭和(戦後)	平成（スマホ）、昭和（イヤホン）

13 無機工業化学 q.99 13 情報処理概論 08 工業技術概論 🎵オーディオファイル形式 🎵米沢高等工業学校校歌工業技術概論

🔊

図 6 . 【音声テスト】米沢高等工業学校校歌

テレワークや電話に必須。

圧電体（最新工業化学p.26）や磁性体（最新工業化学p.26）は、圧電スピーカー、フィルムスピーカー、平面スピーカー、クリスタルイヤホン、ダイナミックスピーカー、などの音響デバイスに応用されています。

ダイナミックスピーカーは、音響単独ではなく、スマートスピーカーやスマートディスプレイ、リモート会議システムなどで応用されることが多くなりました。

オンキヨー上場廃止で「オーディオ御三家」消滅…８０年代にはミニコンポの大流行も

✏ 平常演習

？音楽を作り出す材料を調べよう

和音と周波数

表 9 . 🔊 和音と周波数

記号	音名	周波数/Hz (有理和音)	周波数/Hz (平均律)

E	・・ホ	660	659.25511382574
C＃	嬰・・ハ	550	554.365261953744
C	・・ハ
H
B	・ロ
A	・イ	440	440
G#
G	・ト
F#
F	・へ
E	・ホ	330	329.62755691287

福田直樹、有理和音 ^11

) イロハニホヘト（いろはにほへとちりぬるを）

🔊

図 7 . 【音声テスト】米沢高等工業学校校歌

オーディオの規格

表 10 . オーディオの規格

規格	分類	例

モノラル	ＡＭラジオ（アナログ）	ラジオ体操
ステレオ（Ｌ，Ｒ）	ＣＤ（44.1KHz,16bitデジタル）ＦＭラジオ（アナログ）ＮＴＳＣテレビ（アナログステレオ）地上デジタル（デジタル 48kHz MPEG-2/AAC-LC 256kbps * ）
5.1サラウンド	衛星４Ｋ（デジタル）	名曲アルバム 5.1ch+ステレオHDR
22.2サラウンド	衛星８Ｋ（デジタル）

* * * ニセレゾ? 音圧戦争と海苔波形

介護とロボット

IoTとAI

◇ 参考文献

無機工業化学

受講にあたって
1 . ◇ 明治４３年、旧米沢高等工業学校の設立―産業革命と化学工業の歴史―
- 工学と理学
- 世界の産業革命
- 日本の産業革命
- 旧米沢高等工業学校の設立
2 . ◇ １０００気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―
- 高圧容器と蒸気機関
- 肥料・火薬と空中窒素の固定
- アルカリと山菜の灰汁ぬき
- 高純水の製造と下水高度処理による窒素とリンの除去
3 . ◇ ３ボルトが生み出す洗剤と水素―電気化学工業―
- 製塩とイオン交換膜
- 水と海水の電気分解
- アルカリと洗浄
- 水素の製造と燃料電池
4 . ◇ １５００℃が作る東京スカイツリー―鉄鋼―
- バッチ生産からフロー生産へ
- 鉄鋼
- ステンレスと合金
- 石炭と炭素材料
5 . ◇ １０００℃、４Ｖが作る新幹線―非鉄金属―
- アルミニウム
- 貴金属
- 銅
- レアメタル
6 . ◇ ３０００℃が作る航空部材―窯業―
- 陶磁器と焼成温度
- ガラスと真空管
- セメントとレンガ
- ファインセラミックス
7 . ◇ ひとり毎日１キログラムの廃棄物―資源と環境とサプライチェーン―
- 🏞 資源
- 🚂 トイレットペーパー
- 🚂 自動車
- 🏞 ごみ
8 . ◇ 太陽がくれた１キロワット毎平米―エネルギープラント―
- 石炭と火力発電
- 磁石と発電機
- 送電線とアルミニウムと銅
- 碍子とセラミックス
9 . ◇ トイレットペーパーがなくなったら？－パルプ、紙、繊維―
- 麻、綿、羊毛、絹
- 織物、編物、不織布、紙
- 炭素繊維、アスベスト、ガラスファイバー、複合材料
- トイレットペーパー、ティッシュペーパー
10 . ◇ 自動車がなくなったら―目指せカーボンニュートラル―
- 🚂 自動車
- 鍛造と鋳造
- 熱変換サイクル
- オクタン価とセタン価
11 . ◇ マンガ本がなくなったら―印刷技術と半導体―
- ケイ素と半導体
- 活版、グラビア、オフセット、スクリーン、インクジェット印刷
- 写真技術
- パターニングとフォトリソグラフィー
- 半導体の製造工程
12 . ◇ スマホがなくなったら―インターネットと光と音―
- 液晶、エマルション、サスペンション、エーロゾル
- ◇ 顔料と染料（朱と ◇ ベニバナ）
- バインダと接着剤
- 液晶パネルの組立
13 . ◇ 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―
- 🚂日用品
- マッチ、電池、センサー
- 介護とロボット
- ＩｏＴ
14 . ◇ 食べ物がなくなったら―環境、持続可能な社会に向けて―
- ◇ 上杉鷹山のカテモノ
- 毒と薬
- 八丁味噌と火薬
- 日本酒、ワインビール
- カップラーメン
15 . ◇ ヒトはなぜモノを作らねばならないのか？－ひとりひとりの幸せを大切にするために－
- ジェネリック医薬品とバイオシミラー
- マッチと写真フィルム
- 単位認定申請書
- 優秀学生推薦書

類別／性質	小分類	例

第一類酸化性固体	塩素酸塩類	🚂 マッチ頭薬 *
	過塩素酸塩類
	無機過酸化物
	亜塩素酸塩類
	臭素酸塩類
	硝酸塩類
	ヨウ素酸塩類
	過マンガン酸塩類
	重クロム酸塩類
第二類可燃性固体	硫化リン
	赤リン	🚂 マッチ側薬 *
	硫黄
	鉄粉
	金属粉
	マグネシウム
	その他のもので政令で定めるもの
	前各号に掲げるもののいずれかを含有するもの
	引火性固体
第三類自然発火性物質及び禁水性物質
第四類引火性液体	特殊引火物
	第一石油類	アセトン、ガソリン
	アルコール類
	第二石油類	灯油、軽油
	第三石油類	重油
	第四石油類
	動植物油類
第五類自己反応性物質
第六類酸化性液体	過塩素酸
	過酸化水素
	硝酸

工業製品	システム	電池の種類

住宅	据え置き型電池（卒ＦＩＴ）（ＥＳＳ／ＢＥＳＳ * ）	ＬＩＢ、建物付属の蓄電池電源設備としての法定耐用年数は６年。
スマホ	内蔵	充電式電池（ＬＩＢ）
ＰＣ	ＵＰＳ	ＬＩＢ
自動車	駆動用	ＬＩＢニッケル水素（モノポーラ、バイポーラ）
自動車	始動用	鉛電池（モノポーラ、バイポーラ）
リモコン	乾電池 ×2	乾電池
電動歯ブラシ		乾電池
◇ 時計		乾電池

◇ 13. 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―