ダニエル電池の作成、及びそれを基準電池として
抵抗尺と共に用いた場合の未知電池の起電力測定
2017/06/02 高橋宏義
★プロローグ★
2017年、5月第一週(2017/05/19-05/23)にかけて 後藤武、高橋宏義、鈴木崇広から成る高橋システムエンジニアリング(TSE)は 抵抗尺を完成し、製品は無事納期までに伊藤先生の手による厳正な検品を通過した。 しかし、当時本来の製作目的である起電力測定は未だ着手されておらず、 一度の実戦も経ずして学生実験その日を迎えつつあった。 そこで、今回行った実験が基準電池としてのダニエル電池の作成および、 抵抗尺を用いた未知電池の起電力測定である。 今回の実験は、疎かになりがちであった自身の化学知識、技術を 補填したと共に、我々に抵抗尺を実際に運用した実績と貴重なデータをもたらした。
ダニエル電池の作成
概要
未知電池の起電力を測定するにあたり、起電力測定の基準となる既知電池が必要となる。 これを基準電池をいい、今回は標準電池を用意できないため、代わりとしてダニエル電池を を用いる。以下に、材料、回路図、実験方法等について記載する。
材料一覧
表1 ダニエル電池使用器具
| 名称 | 規格 | ID | キャビネット |
| 銅線 | φ1.2mm,50mm | 13665 | 80下段 |
| 亜鉛線 | φ2.0mm,50mm | 13495 | 80下段 |
| ビーカー | 100ml×3 | --- | 85右上 |
| メスシリンダー | 50ml | --- | --- |
| ガラス棒 | --- | --- | --- |
| 精密電子天秤 | --- | --- | --- |
| 圧着端子 | R-2,φ4.0mm | 285 | 84右下 |
| ダブルクリップ | --- | --- | 個人管理 |
| なべ子ねじ | M4×10mm | --- | 個人管理 |
| セロハンチューブ | --- | --- | 個人管理 |
表2 電解液材料
| 名称 | 使用量 | ID |
| 硫酸銅五水和物 | 0.194[g] | 13374 |
| 硫酸亜鉛七水和物 | 0.218[g] | 1620 |
| 純水 | 60[ml] | 13675 |
実験手順
①電極として金属線を切り出した。切り出した金属線の長さは、亜鉛、銅線共に5 mmである。 ②電極を作成した。まず、圧着端子に金属線を固定した。 次に、ダブルクリップと圧着端子をなべ子ネジと付属のワッシャーを用いて固定した。 ③セロハンチューブを作成した。セロハンチューブはシート状となっているセロハン紙から 作成する必要がある。今回は、複数回端を折って袋状にした後、セロハンテープで 貼り合わせて固定した。参考画像を記載する。④電解液の調整を行った。まず、溶媒としての純水をメスシリンダーを用いて二つの100 mlビーカーに 30 mlずつ計量した。その後、精密電子天秤を用いて硫酸銅五水和物を0.194 g,硫酸亜鉛七水和物を0.218 g秤量し、 それぞれのビーカー内の純水に溶かし、ガラス棒で混ぜて電解液を調整した。 このとき、硫酸銅水溶液の濃度は0.025 mol/l,硫酸亜鉛水溶液の濃度は0.026 mol/lであった。 ⑤ビーカー内に設置したセロハンチューブ内に硫酸銅溶液、外側に硫酸亜鉛水溶液を 注入し、電極を直前に磨き上げて銅電極をセロハンチューブ内、亜鉛電極を対極に 固定した。
結果
以下に結果を記載する。実験当時の時刻、気温及び湿度は以下の通りである。
| 時刻 | 気温 | 湿度 |
| 16:00 | 28.1℃ | 36% |
ダニエル電池が完成した。
撮影を忘れたので、写真は割愛する。
電解液濃度は、以下の通りとなった。
精密秤量天秤の精度を考慮し、有効数字4桁とする。
| 電解液名称 | 電解質濃度[mol/L] | 溶質名称 | 溶質重量[g] |
| 硫酸亜鉛 | 0.25 | 硫酸亜鉛・七水和物 | 0.218 |
| 硫酸銅 | 0.26 | 硫酸銅・五水和物 | 0.194 |
表4 電解液詳細
結論
ダニエル電池の理論起電力を以下の通り計算する。
念のためテスターで計測した値は1.10Vであったので、ある程度以上はダニエル電池が正確に
作成されたことがわかった。
ダニエル電池と抵抗尺を用いた未知電池の起電力測定
概要
ダニエル電池を完成させ、非常に精度の高い既知電池(＝基準電池)を手に入れた。 次の実験「ダニエル電池と抵抗尺を用いた未知電池の起電力測定」では、 実際に抵抗尺と未知電池、基準電池、電源を用いて未知電池の電圧を 明らかにしていく。
実験手順
①電源(上図NI-MH)にニッケル水素乾電池を用いる。 標準電池E0(上図DANIEL-CELL)に先ほど作成したダニエル電池を
接続し、検流計の針が振れなくなる抵抗尺の値を記録した。 このとき記録した抵抗尺の長さを、l0とおく。
②電源(上図NI-MH)にニッケル水素乾電池を用いる。 未知電池E(上図UNKNOWN-CELL)に用意したアルカリ電池を
接続し、検流計の針が振れなくなる抵抗尺の値を記録した。 このとき記録した抵抗尺の長さを、lとおく。
実験結果
実験②のときの抵抗尺の長さl0は0.63mであった。
キルヒホッフを用いて未知電池の起電力を測定した結果、
以下のようになった。結果を載せる。
実験後、テスターを用いた場合の標準電池の起電力を測定したところ
1.08Vであり、キルヒホッフの法則を用いた場合の未知電池の起電力は1.51Vまで
落ちていた。また、テスターを用いて未知電池を実測した結果、1.49Vであった。
結論
テスターでの計測値と理論値に無視できない程度の誤差が
表れた。
電解液濃度をきわめて薄く設定したことが、要因のひとつとして考えられる。
小沢昭弥.現代の電気化学 国際化時代の英語テープ付きテキスト.1990,329P.,