大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
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A. ギブズエネルギーΔGとは反応の前後のエネルギー変化を表し、ΔG＜0だと自発的に進む反応、ΔG＞0だと自発的には進まず、逆反応が進むということがわかる。電気エネルギーは電気量と電圧を掛けたものである。25℃で水素気体電極が示す単極電位を標準水素電位電極とよび、これを零と定義している。標準電極電位はΔG/nFで表され、このときのnは電子数を表し、単位は無次元である。 グループワークでは電極近傍の電位プロファイルを描いた。アノードに銅、カソードに亜鉛を使う電極について考えた。銅電極では高く、銅電極と亜鉛電極の間で電位が少し下がり、亜鉛電極で一番低い電位を取っている。 事後学習では電位差計について調べた。電位差計は零位法という測定原理に基づいて、未知の電圧を非常に精密に測定する装置で、既知の電圧を持つ回路と被測定電圧の回路の二つの回路を組み合わせて構成される。
A.①?③を以下に示す ①【講義の再話】 ΔGとΔHを用いて電池の理論エネルギー変換率を表すことができる。ΔG/ΔHはほとんど1に近い値、すなわち電気エネルギー変換効率が100％に近いということを意味する。 －ΔG[kJ/mol]＝ｎF[C/mol]E_cell[V]となる。この場合ｎは無次元である。示強因子は電圧[V]である。つまり電気エネルギーは電気量[C]×電圧[V]で表される。 標準酸化還元電位[V]はE＝ΔG/nFで表すことができる。銅の標準酸化還元電位は0.337[V]、亜鉛の標準酸化還元電位は-0.7627[V]である。この電位では各式は平衡になっており、電流は流れない（反応速度は見かけ上０である。）この二つを反応させると銅の標準酸化還元電位のほうが大きいため反応が右側に進む。すなわち亜鉛から電子が流れて銅が析出する。これのE[V]の差を起電力という。この酸化還元電位は標準水素電位電極をゼロと定義し、基準とすることで定められている。また標準水素電位電極は水素の分圧＝１、水素イオンの活量＝１、25℃の条件で定められている。 活量とはイオンの自由度ともいえる。活量が1のイオンは自由に動ける。活量が1の時ｐHは０である。（ほかのイオンだけが存在しているのかしら） 塩化銀電極では塩化物イオンの活量が変化するのでネルンストの式ではE＝0.2224－RT/１・F×ln[Cl塩化物イオン]と表される。（一般式：E＝0.2224+（RT/１・F×ln[酸化体]）酸化体はFe２+とFe３+ならFe3+） ②【発表の要旨】 演題 電極近傍の電位プロファイルを描いてみましょう グループ名 ダニエル☆ 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 電位差計は電気を流さない、すなわち平衡状態の時に電位を測る機器である。縦軸が電位、横軸が距離を表したグラフを描くと電位が分かる。この電位の形を電位プロファイルという。 ③【復習の内容】 トピック名 電位差系について調べよう 電位差計は電気を流さない、すなわち平衡状態の時に電位を測る機器である。縦軸が電位、横軸が距離を表したグラフを描くと電位が分かる。この電位の形を電位プロファイルという。
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A. ダニエル電池は、亜鉛を負極、銅を正極とする一次電池で、亜鉛が酸化されて電子を放出し、銅イオンが還元されて金属銅となる。電解質には硫酸亜鉛と硫酸銅の水溶液が用いられ、塩橋によってイオンの移動が可能となる。電極電位はネルンスト式によりイオン濃度の対数に依存して計算され、Fe??/Fe??系ではモル比の変化に応じて電位が直線的に変化する。 銀塩化銀電極（Ag/AgCl電極）は、銀線の表面に塩化銀を形成して作られる参照電極であり、塩化物イオンを含む溶液に浸して使用する。電位は塩化物イオン濃度に依存し、飽和KCl溶液中では標準水素電極に対して約0.197Vを示す。再現性が高く、電気化学測定において安定した参照電位を提供するため、広く利用されている。 電位差計は、既知の標準電圧と未知の電圧を平衡させて測定する装置であり、測定対象に電流を流さずに電圧を測定できるのが特徴である。これにより、電池の起電力や金属の熱起電力を正確に測定できる。高い精度と信頼性を持ち、電池性能評価や研究において重要な役割を果たしている。
A.①ギブスの自由エネルギーは、化学反応が自発的に進むかどうかを判断する指標であり、電気エネルギーは電気量と電圧の積で表される。反応には途中で活性化エネルギーが必要なことがあり、これは反応を始めるために越えるべきエネルギーの壁ある。また、反応が進んでいないように見えるときは、正反応と逆反応がつり合っている平衡状態にあるだけであり、反応が進んでいない訳ではない。 さらに、電極電位を正確に測定するには、電流を流さずに行う必要がある。ただし、半電池単独の電位は絶対的には測定できないため、基準として標準水素電極が使われる。これは特定条件下の水素電極の電位を0と定めたものある。 今回のグループワークでは、ダニエル電池の電位プロファイルを書いた。 ②演題はダニエル電池の電位プロファイルを書くことで、グループ名は名無し、属した人は、小笠原大地、佐藤光介、坂本彩夏、須藤春翔であり、役割は調査係。 電位プロファイルを書くことで、電子の流れ、酸化還元反応の位置と方向、そして電位差の大きさから、電池として取り出せる電圧である起電圧を一目で理解することができた。 ③私は、ギブスの自由エネルギーについて詳しく調べた。 ギブスの自由エネルギーは、エンタルピー H、エントロピー S、温度 T を用いた式 G = H - TS により定義されるものである。これは温度と圧力を自然な変数とする特性関数であり、他のすべての熱力学的状態量を導く基礎となっている。与えられた温度と圧力において、物質の系が熱平衡にあるとき、ギブスの自由エネルギーは最小の値をとる。この性質により、ギブスエネルギーは系の安定性や反応の自発性の判断に用いられる。また、ある平衡状態から別の平衡状態に移るとき、周囲に対して系がなしうる最大の仕事の量は、ギブスの自由エネルギーの減少量に等しくなる。これは最大仕事と呼ばれ、ギブスエネルギーの物理的意味を示している。これらの事が調べて分かった。
A.①ギブスの自由エネルギーと電気エネルギーの関係について学んだ。ギブスの自由エネルギーは、平衡を表していることも分かった。雰囲気のもとでaH+=1の電解液中で水素気体電極が25℃において、表す単極電位を標準水素電位電極（NHE）とよび、これを零と定義することも学んだ。標準酸化還元電位を参考にネルンストの式から電位プロファイルを書いたりした。また、活量１のときは、pHが０である。 ②グループワークでは、ダニエル電池の電位プロファイルについて議論した。横軸に距離をとり、縦軸に電圧をとって電位プロファイルを描いた。左側に銅電極、右側に亜鉛電極を設定して電圧計を介入させて回路図を作成した。銅電極の右側で電圧が下がり、亜鉛電極の左側でまた電圧が下がるプロファイルとなる。これ以上の議論をすることができなかった。 ③授業でギブスの自由エネルギーと電気エネルギーの関係について触れていたので、これについてまとめる。まず、ギブスの自由エネルギーとは、反応が自発的に進むかどうかを判断するエネルギーのことである。また、電気エネルギーとは、電気の力でなされる仕事のことである。ΔG＝―nFEという式からもギブスの自由エネルギーと電気エネルギーの関係がわかる。起電力と電子数とファラデー定数が分かれば、ギブスの自由エネルギーを求めることができる。
A.①本講義では、ギブスの自由エネルギー変化の式を復習し、電気エネルギーと自由エネルギーの関係について学んだ。まずギブスの自由エネルギーはΔG=ΔH-TΔSで表せ、ΔHはエンタルピー、ΔSはエントロピーである。エネルギー変換についても学び、その際に必要なエネルギーを活性化エネルギーといい一見止まっているような状態を平衡状態と言う。ギブスの自由エネルギーを電池におけるエネルギー変換すると-ΔG＝ΔH－STであることが分かった。平衡状態の時反応速度は0でありつまり電流も0であるといことが分かった。また標準電極電位についても学び例にダニエル電池を用いた。亜鉛は-0.7627V、銅は0.337Vであることを教科書を用いて読み取った。次にネルンストの式を用いて銀塩化銀電極の起動力を調べた。 ②グループワークでは教科書からダニエル電池を選び、具体的な化学種などを話し合い図示することができた ③標準電極電位とは標準状態での電極反応における電子を受け取る力の強さを示す値である。
A. 講義では、ギブス自由エネルギーΔGについて学んだ。ΔG＝ΔH－TΔSという式から、反応のエンタルピー（ΔH）とエントロピー（ΔS）の変化によって、反応が自発的に進行するかどうかを判断できる。ΔGが負であれば反応は自発的である。さらに、この自由エネルギーと電気エネルギーの関係は、－ΔG＝nFEcellという式で表される。ここで、nは反応に関与する電子数、Fはファラデー定数、Ecellは起電力を表す。右辺は電気化学的な反応によって生じるエネルギー量（J/mol）を示しており、ΔGが電気エネルギーとして取り出せることを示している。また、電極電位の平衡値を表すNernst式や、標準電極電位の基準としての水素電極、銀―塩化銀電極の性質についても学習した。これらは溶液中のイオン活量の変化によって電位の変動を予測するために重要である。 発表では、ダニエル電池を例に、電極近傍の電位プロファイルを描いた。横軸に電極間距離、縦軸に電位をとると、電極界面で急激な電位変化が生じ、その前後はほぼ一定という形になる。これは界面での電荷分布の影響であり、化学反応が起きる場の電極の重要性を視覚的に理解できた。 復習としては、エネルギーと電位との視点を結びつけ、化学反応の進行条件を定量的に捉える力を養う必要があると感じた。特に、Nernst式や起電力と自由エネルギーの関係を活用して、応用できる視点を深めた。
A.①単位モルあたりで考えたギブズエネルギー変化については、ファラデー定数F(J/mol)、電圧Ecell(J/C)、反応に関与した電子の数n(-)を用いてΔG=nFEcellと書くことが出来る。反応が平衡状態であるときは、電圧は0となるため、T=298Kとしたときに(RT/F)In10=0.059を利用して簡略化したネルンストの式は以下のように書ける。 0 = E° - (0.059 / n) × log K 平衡である時は反応速度が0である必要があり、その時の電流は0であることも注意が必要である。 ②ダニエル電池の電位クロファイルを書くことができた。Cuの電極の方がZnの電極よりも電位を高く書いた。 ③電位クロファイルについての復習をより詳しく行った。電位クロファイルとは電解セル内の電位の空間的な変化を示した図であり、イオンの移動や電流の流れを視覚的に示すことができる。また、過電圧までも図に示すことができる。
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A.①電気化学ではギブズの自由エネルギーの式-ΔG=nFEを使うことがある。このnは電子数を表していて無次元の単位であるので、F [C/mol]であることに注意しよう。電池の起電力はネルンストの式により求められる。この式はよく使うので覚えよう。 ②「電極近傍の電位プロファイルを描いてみましょう」グループ名：ダニエル 佐藤、須藤、坂本 役割：可視化 ダニエル電池の電位プロファイルを選んだ。電極はアノードに銅、カソードに亜鉛を用いていて、銅から亜鉛にかけて電位が低下していることが分かった。 ③ 鉄（Ⅱ）イオンと鉄（Ⅲ）イオンの半反応式はFe3+ + e- =Fe2+で表され、E°は0.77Vである。ネルンストの式は、E＝E°+RT/nF*ln[Fe3+]/[Fe2+]である。ここで、R=8.31J/mol・Kで、T＝298K、F=96487C/mol、n=1である。よって、式は、E=0.77+0.026ln[Fe3+]/[Fe2+]と変形できる。モル比が変化するということはlnの値が変わるので、それぞれでのlnの値を求めれば、プロットすることができる。 (1:1 )ln(1/1)=0よりE=0.77V (2:1) ln(1/2)=-0.69よりE=0.77-0.018=0.75V (5:1) ln(1/5)=-1.61よりE=0.77-0.042=0.73V (1:2) ln(2)=0.69よりE=0.77+0.018=0.79V (1:5) ln(5)=1.61よりE=0.77+0.042=0.81V すると、lnの値がFe3+がモル比が大きいほど値が大きくなっていて、1:2、2:1のときの値が正負逆の値になっているため、プロットは単調増加の直線を描くと考えられる。
A.①現代の電気化学p.62 3.1.1の式から電池におけるエネルギー変換について学びました。途中で必要なエネルギーを活性化エネルギーといい、一見反応が止まっているように見えるのを平衡ということを学びました。 また、現代の電気化学p.36の表から標準電極電位について銅のE0=0.337V、亜鉛のE0=-0.7627Vであることを読み取りました。 現代の電気化学p.40から水素気体電極が25℃において示す単極電位を標準水素電位電極といいゼロと定義することを学びました。 最後に銀塩化銀の反応式を探し、何の濃度に依存するのか、それをネルンストの式に当てはめることを考えました。 ②ワークショップでは教科書から電池の電位プロファイルとしてダニエル電池を選び、具体的な化学種やイオン種の何が含まれているのかを話し合うことができました。 ③授業の発展としては電位差計についてまとめました。電位差計とは、電気回路における電位差を正確に測定する装置であり、電流を流さずに電圧を測ることができるのが特徴で、微小な電圧の測定にも適しています。特徴としては、測定対象の回路に電流を流さないため、起電力そのものを正確に測定できることや、感度が高く高精度な測定が可能であることなどがあります。 電池の起電力の測定方法は、 「1. 電位差計のBA端子に、電池を接続する 2. 電位差計には、正確な標準電圧を生成する機能が搭載されているため、この標準電圧を調製し、電池の起電力と等しくなるように調整する。 3. 電位差計のGA端子に検流計を接続し、電池の起電力と標準電圧が等しくなったときに、検流計の張りが動かなくなることを確認する。 4. 電位差計の表示部から、電池の起電力を読み取る。」があります。
A. 講義では、化石燃料とバイオマスの違いを中心に、エネルギー資源の種類とその特徴について学んだ。特に、バイオマスの定義とカーボンニュートラルの概念が重要なポイントだった。バイオマスは動植物に由来する有機物であり、燃焼しても大気中のCO?を新たに増やすことがないため、環境負荷の低い再生可能エネルギーとされている。持続可能な社会を構築するうえで、こうしたエネルギー資源の理解は不可欠であると感じた。 私たちのグループでは、亜鉛と銅で構成されるダニエル電池について取り上げ、電位プロファイルを図示することで、電池内部のエネルギーの流れと電極間の電位差を視覚的に示した。具体的には、亜鉛が電子を放出して酸化される半反応と、銅イオンが電子を受け取って還元される半反応を説明し、それぞれの電極における電位の違いが起電力を生み出す仕組みを共有した。また、電解質溶液の役割や塩橋によるイオンの移動についても言及し、電池全体の働きを俯瞰的に理解することができた。 全体を通して、エネルギー資源や変換技術を評価する際には、環境面・経済面・社会面を総合的に考慮する必要があると改めて感じた。たとえばバイオマスのように再生可能であっても、その生産や利用にかかるエネルギー、資源の使用、廃棄の影響までを視野に入れるべきである。今回の講義とグループ発表を通じて、科学的知識を社会的課題と結びつけて考える力の重要性を実感した。
A.①電子数ｎ（無次元）とファラデー定数の関係を再度確認しΔG=nFEcell式の意味を確認した。ΔGが０よりも小さいと自発的に反応し、ΔGが０よりも大きい場合は逆反応が起こることが分かった。平衡論と速度論は真逆であり、標準電極電位とは標準水素電位電極を基準とした値である。Zn^2++2e^-→Znの標準電極電位は-0.7627であり、Cu^2++2e^-→Cuの標準電極電位は0.337であり、これはダニエル電池でありCu電極に電子が流れることによって電気エネルギーを得るので標準電極電位が高い方から低い方に電流が流れることが分かる。このことから、電池において標準電極電位が高い方が還元、低い方が参加ということが分かる。平衡論において反応させてはいけないという意味は電流を０にするという意味であり、これは反応速度を見かけ上０にするということである。またネルンストの式についても触れた。ネルンストの方程式は濃度の電極電位に依存性を表した式であった。
A. ΔＧ：ギブズの自由エネルギー変化[J/mol]文脈によって単位が[J]や[J/mol]となるのでその時々で読み分けなければだめ。この式は反応の前後のエネルギー変化を表しており反応の中間での変化の活性化エネルギーは無視している。平衡論について考えるときは反応速度を０にしなければならない。電池から電圧を測るときの場合は電流を0にする。標準電極電位Ｅ０：水素の電極電位２Ｈ＋＋２e-=H2(g)でのＥ０を０として定義し、基準にとる相対的な値。物質ではなく反応式に紐づいてる値である。 この授業での演題は電極近傍の電位プロファイルを描いてみましょうだった。共同著者は須藤、小笠原、坂本であった。今回の演習で私たちの班は現代の電気化学の教科書を参考にダニエル電池の電位プロファイルを描いた。X軸とｙ軸をとりその中に回路図とそれに対応する電位を描いた。 復習では以下の内容を行った。CVを実行するのに必要な機材は、電極の反応電流を測るポテンショスタット、電流の流れを測定し反応の挙動を観察するための三電極セル、作用電極に使うPtやCなどの不活性な電極材、測定対象溶液の導電性を確保するための支持電解質、測定対象を溶かす溶媒である。CVは試料の電極上での電子の授受を観察し、反応のピーク電位やピーク電流を測定し反応の速度論や解析を可能にする。リチウムイオン電池や燃料電池の材料特性評価などに使用される。
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A. ギブスの自由エネルギー変化の式ΔGi＝ΔH-STとネルンストの式が重要である。銀塩化銀電極はAgCl(s)＋e?＝Ag(s)＋Cl?となり、E?＝0.2224Vとなる。PH?＝1の水素ガス雰囲気のもとでaH?＝1の電解液中で水素気体電極が25℃において示す単極電位を標準水素電位電極と呼び、これを零と定義する。 演題は「電極近傍の電位プロファイルを描いてみましょう」、グループ名は千年、共著者は鈴木純奈、山口琉夏、竹中呉羽、鈴木純奈、植村研ラエル、私は調査を担当した。グループワークではダニエル電池の電位プロファイルを描いた。縦軸を電位、横軸を位置(距離)として電池の各位置での電位の高さを表した。 復習として、ネルンストの式について述べる。ネルンストの式は、電極電位が濃度や温度により変化することを示す式である。この式から、化学反応に関わる物質の濃度や温度が電位にどのように影響するかを数値的に理解できる。特に濃度差が電位差を生み出す仕組みを知ることで、電池や電気化学の本質がより明確になった。身近な現象を理論的に説明できる点が面白いと感じた。
A.1/講義の再話：当日の授業では銀塩化銀電極（Ag/AgCl電極）について学んだ。銀塩化銀電極は、電気化学測定で広く使われる参照電極の一種である。この電極は銀（Ag）とその塩化物である塩化銀（AgCl）が接触している構造を持ち、一定の電位を安定して保つことができる。電極の電位は、塩化銀の溶解平衡と塩化物イオン（Cl-）の濃度によって決まるため、標準的な条件下では約+0.197V（標準水素電極に対して）で一定である。銀塩化銀電極は簡単に作成でき、安定性が高いため、pH測定や電位差測定、電気化学セルの基準として多くの実験や工業応用で使われている。特に、水質検査や生体電気計測など、精密な電位測定が求められる場面で重要な役割を果たしている。 2/発表の要旨：「電極近傍の電位プロファイルを描いてみましょう」 電極（正極・負極）に電圧が印加されると、その表面に電荷が蓄積される。これに応じて、電解質中のイオンが電極近傍に再配列し、電気的に中性な系を保とうとする。この結果、電極表面と電解質中に電気二重層が形成される。 1. 正極近傍： 正極は電子を失うため正に帯電している。その表面近くには、電解質中の陰イオンが引き寄せられる。電位は電極表面で最大（高電位）となり、電解質中へ指数関数的に減衰する。電位勾配は、正極表面→電解質中へと負の方向に下がっていく。 2. 負極近傍： 負極は電子を受け取るため負に帯電している。周囲には電解質中の陽イオン（例：Na?）が集まることで中和が進む。電位は電極表面で最小（低電位）となり、同様に電解質中へ指数関数的に回復していく。電位勾配は、負極表面→電解質中へと正の方向に上昇する。 3/復習の内容：電位差計とは、二点間の電位差、すなわち電圧を正確に測定するための装置である。一般的な電圧計と異なり、内部に電流が流れないようにして測定するため、回路に負荷をかけず、より正確な測定が可能となっている。これは、検流計を用いて「釣り合い」の状態を確認することで実現される。 電池の起電力を測定する際には、この性質が特に重要である。電池に電流を流すと、内部抵抗の影響で電圧が低下するが、電位差計を使えば、電流を流さずに本来の起電力（開放電圧）を測定することができる。具体的には、比較用の既知電圧を持つ標準電池と可変抵抗を組み合わせた回路を作り、検流計がゼロになるように調整する。そのとき、可変抵抗の両端の電圧が被測定電池の起電力と等しくなっていることから、正確な電圧が求められる。電位差計は、古典的ではあるが、今もなお教育や実験の場で広く利用されている。
A.第7回の授業「電池の起電力―銀塩化銀電極とネルンストの式」では、ギブスの自由エネルギー変化の式を復習し、電気エネルギーと自由エネルギーとの関係について学んだ。△G=△H-STで、△Hがエンタルピー、STがエントロピーであることが分かった。ギブスの自由エネルギー変化が0より小さいとき反応が始発的であることも確認した。化学反応が電池でどのようにエネルギーに変換されるかを理解するために、自由エネルギーと電圧（起電力）の関係を式で確認した。また、反応が停止している状態、すなわち化学平衡の概念と、その平衡に関する論理を学び、エネルギー変化がゼロになる条件なども扱った。銅－亜鉛電池を例に、それぞれの電極での酸化還元反応と、それに伴う平衡定数の値を調べた。結果として、各電極における平衡定数の差が電池全体の起電力を生む要因となることがわかった。グループワークでは、銅－亜鉛電池における電極近傍の電位プロファイルを描き、電位の変化と反応進行との関係について議論し、視覚的な理解を深めた。
A. ギブスの自由エネルギーΔGは反応の自発性を示す指標であり、ΔG＝ΔH－TΔSで表される。ΔGが負のとき反応は自発的に進行する。電気化学ではこのΔGと電池の起電力Ecellの関係は－ΔG＝nFEcellで表され、nは電子数（無次元）、Fはファラデー定数[C/mol]、Ecellは電圧[V]であるため、ΔGの単位は[J/mol]となる。ここで電気量（nF）は示強因子、電圧は示量因子と捉えられる。標準電極電位は標準水素電極を基準に定義され、例えばCu??/CuはE°＝0.337V、Zn??/ZnはE°＝－0.7627Vである。また、濃度に依存した電位はネルンストの式で表される。例えば銀塩化電極ではAgCl(s)+e?→Ag(s)+Cl?が反応式であり、その電極電位はE＝E°－(RT/F)ln[Cl?]で示される。電池の起電力（エレクトロンフォース、V）はこれらの原理に基づき決定される。 グループワークでは、ダニエル電池の図を示した。その図に電位プロファイルを書き込んだ。 ダニエル電池について詳しく調べた。ダニエル電池は、19世紀にジョン・ダニエルが開発した代表的なガルバニ電池で、亜鉛と銅の酸化還元反応を利用して電気を発生させる電池である。
A. ギブスの自由エネルギーについて、-ΔG=nFEcellの式がある。0より小さいとき自発的な反応であり、平衡状態において重要な概念である。平衡論では反応速度は0であり、電流が0であることを示す。一方で平衡論の対義語として速度論があり、活性化エネルギーの話などに用いられる。活量について、水素イオンの活量が1の時pHは０になる。電気化学において、電池の電極の電位Eを記述した式としてネルンストの式が挙げられる。この式で使われるE0とは25℃における単極電位の標準水素電位電極を示す。 グループワークでは電位プロファイルについて栗田さん、百々さん、山根さんと議論を行った。横軸に距離、縦軸に電位をとり、ダニエル電池について電位プロファイルを描いた。等電位線では界面電位差を表現できないことが分かった。 復習として電位プロファイルについて調べた。電池や電解セル、半導体デバイスなどにおける電子やイオンの移動、反応の進行を理解する手がかりとなる。電位変化は界面反応や内部抵抗において重要であると分かり、性能や構造を読み解く上で大切であると理解した。
A.今回の授業ではギプスの自由エネルギーについて詳しく学びました。理論分解電圧は高温になるほど小さく、熱エネルギーは大きくなります。理論分解電圧は電気エネルギーから供給できます。標準電極電位は、単極電気を0として定義されているということもわかりました。 ダニエル電池の電池式は(-)Zn|ZnSO4aq|CuSO4aq|Cu(+)であり、ダニエル電池の電位プロファイルを描いた。縦軸が電位で、横軸が距離を表す。ダニエル電池の電位プロファイルは、電極間の電位差を空間的に示したもので、負極（亜鉛）から正極（銅）に向かって電位が上昇する形をとる。負極では亜鉛が酸化されて電子を放出し、電位は低くなる。一方、正極では銅イオンが電子を受け取って還元され、電位は高くなる。電解液中では電位勾配が形成され、素焼き板を通じてイオンが移動することで電流が流れる。このプロファイルは電界の強さや内部抵抗にも影響を与え、電池の性能を左右する。 理論分解電圧について調べました。理論分解電圧とは、電解反応が起こるために必要な最小の電圧で、理想的な条件下での電極反応の電位差に基づいて算出されます。これは標準電極電位の差から求められ、実際の電解では過電圧や抵抗などにより理論値より高い電圧が必要になります。電池設計や電解プロセスの効率評価に重要と分かりました。
A.①ギブス自由エネルギー（ΔG）と電気エネルギーの関係について学び、ΔG = －nFEcell の式を通じて、反応の自発性と電池の電圧とのつながりを理解した。ファラデー定数や電子数を考慮しながら、化学反応が生み出す電気量やエネルギーを計算する方法を学んだ。また、標準電極電位の定義や、水素電極を基準とした相対的な電位についても学び、金属イオンの還元反応の電位差が電池の起電力を決定する仕組みに触れた。さらに、反応速度論や平衡状態に関連する電流ゼロの条件にも言及し、化学反応の進行と電気的現象との関連性を深く理解した。 ②銅と亜鉛の電極を用いた電位差計による電位プロファイル測定の実験を示している。セパレータで隔てられた電極間の電位変化を距離に対して記録することで、電池内部の反応分布や電位勾配を視覚化できる。この手法は、電池構造や反応機構の理解に役立つ。 ③ギブス自由エネルギーと電気エネルギーの関係をΔG = －nFEcellで学び、反応の自発性や電池電圧とのつながりを理解した。標準電極電位や水素電極を基準とする相対電位についても学び、金属イオンの還元電位差が電池の起電力を決めることを把握した。
A.①ギブスの自由エネルギーの電池におけるエネルギー式への変換、標準水素電位電極、電池へのネルンストの式の適用などについて学びました。 ギブスの自由エネルギー式は「ΔG=ΔH-ST」(ΔHはエンタルピー、Sは乱雑さを表すエントロピー)で表現でいます。これを電池におけるエネルギー変換をすると、単位molあたりの式「-ΔG=n F Ecell」（n［-］は量論係数、F［C/mol］はファラデー定数、Ecell(v)は電圧）で表されます。 ネルンストの式における標準電極電位E°は、標準水素電位電極（E°=0）を基準として物質ごとに決まっています。標準水素電位電極（E°=0）は、密度が１の水素ガス雰囲気の下で、活量１の電解溶液中で水素気体が25 ℃において示す単極電位のことです。E°=0 は、pHが０ということを示します。また、ネルンストの式は標準電極電位E°に加え、気体定数、物質量、ファラデー定数、温度、酸化剤と還元剤の濃度の自然対数（ln(酸化剤/還元剤)）で表現されます。 ②グループ名は左前です。グループメンバーは小野翔太、三好駿斗、細井蓮、小池快成です。発表では、ダニエル電池の電位プロファイルを描きました。電位プロファイルとは、横軸に距離、縦軸に電位をとった図のことです。アノードの電位が高く、カソードの電位が低いので、アノードからカソードに向けて段階的に電位が下がっていることが分かるように電位線を描きました。どのように電位が変化するのかを視覚化したことで、より電池のしくみを理解することができました。 ③復習では、ネルンストの式における活量について調べました。活量とは、化学反応における物質の「実効的な濃度」で、理論的には物質濃度と一致し、非理想的な場合は濃度と一致しないことが分かりました。これは、現実の系では、溶液や気体の相互作用などがあるためです。そのため活量は、物質の理想的な挙動と現実の挙動との違いを表しています。「α=γ×［C］」の式で表現され、γは活量係数で、物質が理想的な挙動をしない場合の補正因子を表しています。［C］はモル濃度やモル分圧を表しています。ネルンストの式において、理想的な場合は（酸化物、還元物の活量）＝（酸化物、還元物の濃度）と一致します。非理想的な場合は活量係数γを用いる日露があることが分かりました。
A.今回の講義では、まずギブスの自由エネルギーについて学んだ。これを電気エネルギーに変換すると-ΔG＝nFE cellという式になることがわかり、それぞれの文字はnが単位なし、FはC/mol、EcellはVという単位であることが分かった。そのほかに電位の濃度依存性をあらわすものをネルンストの式といい、銀塩化銀電極のとき、E＝0.2224-RT/F In[Cl -]という起電力であることが分かった。 発表では、ダニエル電池の構造について学び、銅電極と亜鉛電極と電解溶液によって作られていることが分かった。
A.①ギブス自由エネルギー変化 ΔG は、電気化学反応の自発性を示す指標であり、電池反応では－ΔG = nFE － v の形で表される。ここで n は電子のモル数（単位なし）、F はファラデー定数（C/mol）、E は電圧（V）、ΔG が負なら反応は自発的に進む。塩化銀電極は AgCl + e? → Ag + Cl? の反応であり、理論電圧 E° からネルンストの式を使って実際の電位を計算できる。電位プロファイルを描くことで、電極間のポテンシャル差や反応の駆動力が視覚的に理解できる。 ② ダニエル電池の電位プロファイルについて書いた。銅と亜鉛の電極からなっている。横軸を距離、縦軸を電位とする。銅から亜鉛にいくにつれて電位は階段のように下がっていく。 ③零位法によって直流電圧を比較測定するための電気計器である。標準電圧と平衡させる方法で測定する。 電位差計を使って電池の起電力を測定する方法は、まず電位差計に標準電池を接続し、電位差計のスケールを調整して標準電池の起電力を表示させる。次に、測定したい電池を電位差計の端子に接続し、電位差計のスケールが示す値を読み取る。この値が起電力である。 銀塩化銀電極は銀線の表面に塩化銀の層を形成した電極である。構造は銀線を基材として塩化銀層が酸化還元反応を行い、内部には飽和KCl溶液が使用されて電極の安定性を維持して液絡部によって外部溶液との電気的導通が行われている。その作り方としてはまず純銀線を研磨・酸洗いして洗浄し、次に化学的方法で塩酸や塩化カリウム溶液に浸漬して塩化銀を析出させるか、電気化学的方法で銀線を塩化物イオンを含む溶液に浸し陽分極をかけることで塩化銀層を形成する。その後飽和KCl溶液に浸漬することで電極を作る。
A. 第7回の講義では、ギブズエネルギーと電気エネルギーの関係について学んだ。常温等圧化における化学反応の最大エネルギー変化は自由エネルギー変化ΔGと等しく、このΔGがすべての電気エネルギーに変換されたとすると、ーΔG＝nFEcell （n[-], F[C/mol], E[V], ΔG[J/mol]）という関係式で表現できると知った。また、標準電極電位をネルンストの式と紐づけし、エネルギーと濃度の関係図や電位プロファイルに起こすことで、電気エネルギーへの理解を深めることができた。 グループディスカッションでは、「演題：電極近傍の電位プロファイルを描いてもよう（グループ名：左前、共著者名：大濱風花、松原周凛、平方誠二郎、西島光汰朗、三好駿斗、役割：発言者）」をテーマに話し合いを行った。私たちはダニエル電池を選んだ。横軸に距離、縦軸に電圧（電位）をとると、カソードである銅電極からスタートし、銅電極を過ぎると界面電位差分の急激な電位の減少が見られ、その後はカソードに向かって緩やかな電位低下が見られる。そしてカソードである亜鉛電極に到達した時点で再度界面電位差による急激な電位減少が見られると予測した。 発展内容として、ディスカッションで取り上げた電位プロファイルがどのような場面で活躍しているのか疑問に思ったため、これについて調べた。調査の結果、電位プロファイルは現在、半導体デバイスの内部電位分布のシミュレーション、局部腐食やガルバニ腐食の予測、生体内の神経細胞の膜電位測定に用いられていることが明らかになった。
A.①第7回は電池の起電力や塩化銀電極、ネルンストの式についての授業だった。ギブズの自由エネルギーΔGが負の状態だと反応は自発的に起きる。ギブズの自由エネルギーΔGと電気エネルギーEの関係式はこのように表される。-ΔG＝nFE また、常温当電圧下における化学反応の最大エネルギーの変化はギブズの自由エネルギーの変化に等しい。水素気体電極が25℃の時に示す単極電位を０として定め、これを基準としては標準電極電位を定めている。これは、反応前の溶液の濃度、すなわち活量に依存して変化する。これを示した式がネルンストの式である。銀-塩化銀電極の場合を考えると、塩化物イオンの活量が変化すると標準電極電位は変化する。よりネルンストの式はE＝0.2224-RT/Fln[Cl-]である。 ②授業最後の演習としてダニエル電池の電位プロファイルを書いた。班名は左前、班員は大濱風花、立花小春、西島光太朗、松原周凜、三好駿斗、平方誠二郎の6人であり、役割は発言であった。ダニエル電池は陽極に亜鉛、陰極に銅を用いた電池であり、陰極である銅から距離が離れるにつれて電位は低くなっていることが分かった。 ③この授業の復習として、電位計について調べた。電位計は電気回路における電位差（電圧）を測定するための計測器であり、回路内の2点間の電位差を調べたり、抵抗や電流を測定できる機能も兼ね備えているものもある。アナログ電位差計、デジタル電位差計、ポテンショメータなどの種類がある。
A.電池の起電力とは、化学反応によって生じる電位差である。銀塩化銀電極（Ag/AgCl電極）は、一定の条件下で安定した電位を示す参照電極として広く用いられている。この電極では、塩化銀が銀上に析出し、Ag ? Ag? + e? の平衡が存在する。ここでの電極電位はネルンストの式に従い、イオン濃度によって変化する。特に、[Cl?]の濃度が電位を決定するため、一定濃度の塩化カリウム溶液に浸して用いられることが多い。ネルンストの式を用いることで、温度や濃度に応じた正確な電位を理論的に導ける。 グループワークではダニエル電池の電位プロフィルを記入した。 復習として銀塩化銀電極がどのように応用されているのかを調べた。Ag/AgCl電極はその安定性と生体適合性から、生体信号計測にも多用される。心電図（ECG）や脳波（EEG）の測定において、皮膚表面に設置される電極として使われ、皮膚と電極間の電位差を精密に検出できる。これはネルンストの式に基づいた安定電位が背景にある。電極と皮膚の界面におけるイオン交換も、計測の精度に大きく関わっている。近年ではウェアラブル技術との融合が進み、柔軟なAg/AgCl電極が開発されており、リアルタイムな生体データの取得に貢献している。
A.１．ギブズエネルギーは化学に関しての式の意味を持つだけではなく、電気エネルギーとも関係がある。ギブズ自由エネルギー（Gibbs Free Energy）とは、任意の化学反応や物理的変化が「自然に進行するかどうか」を判断するための熱力学における重要な概念である。そこで重要になってくるのが、平衡論の話である。 平衡論とは、エネルギー的に最も安定なところは、どこか、「ある条件下」で、規定しようとする学問である。 理想と現実の間の、今、どこに位置しているか、それを数値解析するのが平衡論である。平衡論を用いると見かけ上の反応速度を０としてみることができる。 ２．私たちのグループでは、グループ名を左後ろとし、ダニエル電池の電圧プロファイルを横軸に距離、縦軸に電圧をとって書いたあと、ディスカッションした。 ３．電圧プロファイルについて調査した。電圧プロファイルでは、微分容量曲線（dQ/dV）は、電池の充放電中における電圧と電荷量の関係を分析するために用いられる。これは、電荷に対する電圧の微分値（dQ/dV）を示すことで、電池内部で発生する相変化や反応速度論を迅速に特定することが可能である。
A.⑦ギブスの自由エネルギーについて。ーΔG＝nFEcell(単位当たりで考えた式、単位：ｎ(無次元、1)、Ｆ(C/mol)、Ecell(V)、ΔG(J/mol)) 示量因子はｎF、示強因子はEである。 電圧は反応の前後でのエネルギー変化である(平衡の時の考え方)。 水素ガス雰囲気のもとで水素気体電極が２５℃において示す単極電位を標準水素電位電極と呼び、これを０と定義する。 電流＝０にするためには反応速度を見かけ上０の状態にすることをいう。 ②発表では、ダニエル電池の電位プロファイルについて調査した。電池の電極間での電位の変化を表すグラフのことである。正極側は高電位、負極側は低電位となり、その間の電位差が電池の起電力となる。電位プロファイルは、電池の動作原理や電極での反応を理解する上で重要である。 ③ダニエル電池の電位プロファイルについてもう少し詳しく調査した。負極側は、亜鉛版がある側で、あえんがイオン化して亜鉛イオンとなり電子を放出するため、電位が低くなる。正極側は、銅板ある側で、硫酸銅水溶液中の銅イオンが電子を受け取って銅原子として析出するため、電位が高くなる。電極間は起電力が生じ、電子が導線を流れ、電流が流れる。
A.この講義では主に電池を用いる際にかかわる公式などについて学んだ。ギブズの自由エネルギー変化を表す式として、-ΔG=nFEcellがあり、この指揮によりギブズの自由エネルギーと電池の起電力の関係が分かる。また反応物質の濃度と電極の電圧の関係を示すものにネルンストの式というものがあり、E=E°-RT/nF Inac・ad/aa・abという形で表される。これにより標準電極電位等の値から具体的な生成物質のモル数が求められることとなる。 私たちの発表ではダニエル電池の電位プロファイルについて調査を行った。ダニエル電池は、亜鉛が溶け出して電子を放出し、銅イオンが電子を受け取って析出することで作動する。電池の起電力は、ネルンストの式により各半電池の電位差で決まることが分かる。放電が進むと負極では亜鉛イオン濃度が増加し、正極では銅イオン濃度が減少する。この濃度の変化が各電極の電位を変動させ、結果として電池全体の起電力が徐々に低下していく電位プロファイルとなることが分かった。 復習としては講義中に出てきた示強因子および示量因子の違いを調査した。示強因子と示量因子は物理量が系の大きさや量に依存するかどうかで分類される。示量因子は、系の量に比例して変化する性質を持つ量で、例えば、体積、質量、物質量、エネルギーなどがこれに該当する。系を二つに分けたら、それぞれの量は元の半分になるということである。一方、示強因子は系の量に依存しない性質を持つ量で、例えば温度、圧力、密度、濃度などが挙げられる。コップに入った水と浴槽に入った水は量が違っても、同じ温度や密度であればその値は変わらないことが2つの違いをよく表している。
A. 起電力(電池の電圧)は、2つの電極間の電位差で決まり、各電極の標準電極電位と溶液条件によって変化する。銀塩化銀電極は、比較的安定で再現性が高いため、参照電極として広く使用されている。Nernstの式では、電極反応におけるイオンの濃度や活量、温度などが電位に与える影響を計算でき、pHの変化や反応系の条件による電位のズレを理論的に説明することが出来る。これにより、実際の電池電圧と理論電圧との差(E-Erev)や、電極反応の方向性の判断にも応用される。 銅と亜鉛の電池について考えた。 銅と亜鉛の電池（ダニエル電池）は、亜鉛を負極、銅を正極としたガルバニ電池であり、起電力は約1.10 Vである。 電極反応（25℃）では、 負極：Zn → Zn?? + 2e? （酸化） 正極：Cu?? + 2e? → Cu （還元） 電子は亜鉛から銅へ流れる（外部回路） Zn??は溶液中へ増えCu??はCuとして沈殿する。 電圧は放電初期にほぼ一定だが、Cu??の減少やZn??の増加により、徐々に低下する。 よって、プロファイルは初め平坦で、後に急激に電圧が落ちる形になる。 起電力は2電極間の電位差で決まり、銀塩化銀電極が参照に使われる。Nernstの式で濃度やpHによる電位の変化を計算できることを学んだ。
A. ギブスの自由エネルギー[J/mol]は-ΔG=nFEcellで求められる。nは電子数、Fはファラデー定数(電子の電荷(C)×アボガドロ数(NA))、Ecellは電圧を示す。途中で必要なエネルギーを活性化エネルギーである。Zn2++2e-?Znの活性化エネルギーは-0.7627Vであり、Cu2++2e-?Cuの活性化エネルギーは0.337Vである。ここで電極電位とは標準水素電位電極を０と定義する。これを基準にしている。また、ネルンストの式は Erev=Erev〇―RT/nF×ln[aCγC・aDγD…/(aAγA・aBγB…)]で表される。 ダニエル電池の電池式は(-)Zn|ZnSO4aq|CuSO4aq|Cu(+)であり、ダニエル電池の電位プロファイルを描いた。縦軸が電位で、横軸が距離を表す。ダニエル電池の電位プロファイルは、電極間の電位差を空間的に示したもので、負極（亜鉛）から正極（銅）に向かって電位が上昇する形をとる。負極では亜鉛が酸化されて電子を放出し、電位は低くなる。一方、正極では銅イオンが電子を受け取って還元され、電位は高くなる。電解液中では電位勾配が形成され、素焼き板を通じてイオンが移動することで電流が流れる。このプロファイルは電界の強さや内部抵抗にも影響を与え、電池の性能を左右する。 今回の講義ではダニエル電池の電位プロファイルを描いたので、燃料電池のプロファイルについて自分で描いた。燃料電池の電位プロファイルは、アノード（燃料側）からカソード（酸素側）へ向かって電位が上昇する構造を持つ。アノードでは水素が酸化されて電子を放出し、電位は低くなる。一方、カソードでは酸素が電子を受け取って還元され、高い電位を示す。電解質膜を介してプロトンが移動し、外部回路では電子が流れることで電流が発生する。この電位勾配は電界を形成し、電池の出力電圧や内部抵抗に影響を与える。
A.①「現代の電気化学」p62より常温等電圧における化学反応の最大エネルギー変化はギブスの自由エネルギー変化(ΔG)に等しいとわかった。ある化学反応が完結するまでに放出されるであろうこのΔGがすべて電気エネルギーに変換されたとすると-ΔG=nFEcellであらわされる。ｎFが電気量、Ecellが電圧である。この時の電圧を考えるとE=ΔG/nFであらわされる。次に「現代の電気化学」p36-p39に記載されている「水溶液系の標準電極電位(25℃)」の表からCu2++2e-=Cuの標準電極電位を求めた結果E゜＝0.337Vであった。次にZn2+＋2e-=Znの標準電極電位を求めた結果E゜＝-0.7627Vであった。この標準電極電位はPH2=1の水素ガス雰囲気のもとでaH?=1の電解液中で水素気体電極が25℃において示す単極電位を基準として考えられた。 ②「ダニエル電池の電位プロフィル」グループ名りかちゃむ 榎本理沙、嶋貫莉花、羽生胡桃、遠藤由里香、白坂茉莉香 資料作成 グループワークではダニエル電池の電位プロフィルを記入した。負極には亜鉛、正極には銅が使われている。そして、電解液として負極側にはZnSO4水溶液、正極側にはCuSO4が使われた。図から縦軸が電位であり、横軸が距離である。距離が大きくなるほど電位は下がっていくことがわかる。 ③ギブズエネルギーについて詳しく考える。ギブズエネルギーGとは簡単に表すと化学反応や物理変化が自発的に進むかどうかを判断するための熱学的な指標である。ギブズエネルギー変化ΔGが0より小さいと反応が自発的に進み、0より大きいと自発的には進まず逆反応が起こる。ΔGが0の時は反応が止まったように見える平衡状態である。このようにギブズエネルギーを見るだけで反応が数値的に表されるとわかった。
A. ギブズエネルギーについて教科書を用いて講義を行った。主に平衡の場合で考えた式を用いる。そのため、平衡の場合電流を流さないことから反応速度が0であることなども学んだ。また、標準電極電位や電圧を含めた式としてネルンスト式、そこから、電位差計や電位プロファイルなどについても学んだ。 発表では、電極近傍の電位プロファイルを核という課題で、ダニエル電池の電位プロファイルのグラフィカルアブストラクトを行った。 復習として、ネルンストの式について考えた。ネルンストの式は化学反応における電極電位と濃度（活量）の関係を示す式であり、電池や酸化還元反応、pH測定、電極電位の解析に不可欠な式である。基本の形はE=E°-RT×lnQ/nFである。応用例として、電池ではダニエル電池などの起電力の計算、pH測定ではガラス電極による水素イオン濃度の測定、腐食評価では腐食電位、電位-pH図の計算、酸化還元滴定では滴定曲線の理論予測、生物学・生化学ではミトコンドリアの酸化還元系分析などが考えられる。
A.①ネルンストの式を紹介する。ネルンストの式は、活量1、気温25℃の標準状態以外の時に電極電位を求めるのに使用する式である。標準酸化還元電位は、標準水素電極と電池を構成した場合の起電力により計測できる値のことである。そして、ネルンストの式において平衡状態の時は、起電力は0となるので、ギブズの自由エネルギーは、ΔG＝-RTlnK＝-nFEと表すことができる。このとき、E＞0であれば、ΔG<0となり、反応は自発的に進行することを意味するのである。しかし、平衡にするには反応速度を0にするしかないため、電流を0の状態であることが重要である。 ②グループワークでは、電極近傍の電位プロファイルを記入した。電位プロファイルは、ダニエル電池を例として書いた。電極近傍から溶液中に向かっての電位の量の変化を示した。プロファイルとは、ある物理量が空間的にどう変化しているかを示すグラフのことである。 ③電極電位を熱力学的な寄与に基づいて解析すると、標準電位に見られる傾向を説明できる。例として、1属元素を上から順に下がったときの標準電位の変化は電気陰性度の観点からの予想と矛盾して見える。リチウムはセシウムより大きな電気陰性度を持つにも関わらず、セシウムはリチウムとほぼ同程度の標準電位を持つ。その差は0.01V。リチウムはセシウムより昇華エンタルピーとイオン化エネルギーが大きいため、これらの値が大きければイオンの生成は起こりにくいはずで、リチウムの標準電位の方が絶対値は小さくなりそうである。しかし、リチウムイオンは水和エンタルピーが負でその絶対値は大きい。これは、リチウムイオンがセシウムイオンと比べて小さく、結果としてリチウムイオンの方が水分子との静電的相互作用が強いためである。したがって、全体として水和エンタルピーがリチウムイオン（g）の生成に関わるエンタルピーを補って余りあることになり、標準電位は負で絶対値が大きくなるのである。
A. 電気化学反応の平衡状態は、電極電位によって決まる。標準電極電位は、活物質が標準状態にあるときの電位だが、実際には濃度や温度が変化する。この非標準状態における電位を計算するのがネルンストの式である。この式は、電池の電圧が活物質の濃度にどのように依存するかを予測し、電池の寿命や性能を理解する上で非常に重要な役割を果たす。 めっき技術について調査し、特に自動車部品に使用されるクロムめっきの実用性に注目した。電解めっきの原理や、耐食性・美観向上を目的とした応用が広く行われている点を共有し、産業における重要性を確認した。 クロムめっきの工程や使用される化学薬品について調べた。美観や耐久性向上の利点がある一方で、使用薬品の毒性や廃液処理に課題があることも認識し、環境負荷を軽減する技術の必要性を感じた。
A.化学反応の自発性は、ギブズの自由エネルギー変化ΔGによって決まる。ΔG=ΔH－TΔSという式で表され、ΔGが負（< 0）であれば反応は自発的に進行する。電池が反応を起こすには、活性化エネルギーを乗り越える必要がある。この活性化エネルギーはΔGと関連しています。また、各半反応には、標準電極電位と呼ばれる固有の電位があります。例えば、Cu 2+ +2e － ? Cu の標準電極電位は+0.337 V、Zn2+ +2e－ ? Znは-0.7627 Vである。反応が平衡状態になると、反応速度はゼロになり、電流は流れなくなる。活量は、反応に関わる物質の有効濃度を示すものであり、ネルンストの式に用いられ、電位が反応と密接に関わっていることを示している。 電位は、陽極が高く、陰極になるにつれ低くなる。
A.①この講義では、ギブスの自由エネルギーの式から発展させ、ギブスの自由エネルギーと電気エネルギーの関係を表す式について調査した。「現代の電気化学」より、ある化学反応が完結するまでに放出されるであろうΔGがすべての電気エネルギーに変換されたとすると、 ―ΔG＝ｎFEcell の式で表される。ここで、nは反応式より無次元の単位であることに注意した。またこの式は、単位モル当たりの式である。ΔGは、化学反応が一見止まっているように見える平衡状態でのエネルギーとして考えた。次に、平衡論的な反応式から、教科書の図から標準電極電位を読み取った。ここで平衡論的な反応では、見かけ上反応が起こっていなく反応速度がゼロであり、実際に反応を起こしてはいけない、つまり電極に電流を流してはいけない。そこで、圧力１の水素ガス雰囲気のもとで、電解液中で水素気体電極が25℃において示す単極電位を標準水素電位電極と呼び、これを零と定義された。 ② グループワークではダニエル電池の電位プロフィルを記入した。 ③ 今回の授業では、電池の起電力やネルンストの式について学んだ。「現代の電気化学」p62より常温等電圧における化学反応の最大エネルギー変化はギブスの自由エネルギー変化(ΔG)に等しい。ある化学反応が完結するまでに放出されるであろうこのΔGがすべて電気エネルギーに変換されたとすると-ΔG=nFEcellであらわされる。
A. 理論エネルギー変換効率は熱エネルギー(ΔH)をベースに考えられる。式はε＝ΔG/ΔHと表さられる。熱として利用できるのは、ΔHであり、電気化学的にΔGが電気エネルギーに変換できる。ΔG/ΔHが１に近い値だと、電気化学的エネルギー変換効率は１００％となる。 化学反応の最大エネルギー変化はギブスエネルギーの自由エネルギー変化に等しい。反応前後でのギブスエネルギーを考える。 -ΔG[kj/mol]=ｎFEとなる。物質量ｎは単位が１で無次元である。ｎFは電気量であり、単位はクーロン[C]となる。 電圧はどう捉えるのか。標準電極電位は銅(Ⅱ)イオンで0.337Vで、亜鉛(Ⅱ)イオンで―0.7627Vである。平衡論的な考え方をする。平衡は反応上進んでいないように見える。標準水素電極電位は何を基に決めているのか。組成の異なる部分にわたる表面電位を直接測定することはできない。水素ガスのもとで、電解液中では、水素気体電極が25℃において示す単極電位を標準水素電位電極と呼び、０と定義される。銀と塩化銀の電極では、塩化物イオンが活量となる。電池の起電力とは、極板の間で生じる電位差のことである。電位プロファイルと横軸に距離、縦軸に電位をとったグラフのことである。
A. 常温等圧化における化学反応の最大エネルギー変化はギブスの自由エネルギー変化に等しく、ΔG=ΔH－TΔS?で表され、ΔG＜0では反応が自発的に進行する。ある化学反応が完結するまでに放出されるであろうΔGがすべて電気エネルギーに変換されたとすると、-ΔG=nFEcellという式で表される。また、電流が0なら、電子が移動していないため、電気化学反応が進んでいないと考えられる。そのため、反応速度は見かけ上0とみなすことができる。 電極近傍の電位プロファイルを描いてみましょうの発表ではダニエル電池の電位プロファイルを選んだ。グループ名は左うしろであり、グループメンバーは私を含め、小野翔太、細井蓮、日下陽太、鈴木晴琉であった。また、私の役割は調査であった。銅と亜鉛の間にはセパレータを記した。また、銅の電位が高く、亜鉛の電位が低いことを図に示した。 平常演習の電位差系について調べようでは、電位差計とは、電気回路における2点間の電位差を非常に高い精度で測定する装置であり、電流をほとんど流さずに電圧を測定することができるということがわかった。また、電位差計に標準電池を接続し、可変抵抗や滑り抵抗の接点を動かして、検流計の指針がゼロになるように調整する。同様に、被測定電池を電位差計に接続して再び検流計がゼロになるように調整し、両方の電池でゼロ電流になる抵抗位置を比較することで、被測定電池の起電力を算出することができるということもわかった。
A.【講義の再話】 ギブズの自由エネルギー変化について学習した。ギブズの自由エネルギー変化ΔGが、すべて電気エネルギーに変換されたとすると、以下のような式が成り立つ。 -ΔG＝nFEcell この場合ΔGの単位はkJ/molであるが、Jで表されることもあるので注意が必要である。また、この場合電子量を表すｎは無次元数であり、ファラデー定数の単位はC/molである。加えて起電力Ecellの単位はVである。 同じ文字が当てられているからと言って単位が同じだとは限らないので注意する必要があることを学んだ。 標準水素電極電位は、分圧１の水素ガスの雰囲気のもとで水素イオンの活量１の電解液中で水素気体電極が25℃において示す単極電位を標準水素電位電極とし、これをゼロと定義した。この値を基に相対的に電極電位が決まる。 また、ネルンストの式についても学んだ。ネルンストの式に銀塩化銀電極の濃度変化量を当てはめ、何の濃度に依存しているか調べた。 この場合は塩化物イオンの濃度に依存しており、濃度によって電位が変化することが分かった。 電池の起電力は標準電極電位の差から求めることができ、単位はVであることもわかった。活量１の時のpHは０である。 【発表の 要旨】 演題は電位プロファイルについて、グループ名はダニエルであった。グループに属した人は高橋香桃花、三船歩美、原野美優、大阪琉音、鈴木結唯、増子香奈であった。自分が発表の創作に果たした役割は調査である。ダニエル電池の電位プロファイルを描いた。縦軸にｖ、横軸に距離をとることで、CuからZnという流れがあることが分かった。 【復習の内容】 ギブズエネルギーについて復習した。正だと自発的には進まず、負だと自発的に進むことが分かった。また、水は電気を通すが、非常に少ないことが分かった。加えて、ｐｈは水の電気を流す量によって決まるとわかった。
A.ギブズの自由エネルギー変化はΔG＝ΔH－STと求めることが出来る。ΔHはエンタルピーでSはエントロピーである。ΔGが負の数だと自発的反応、ΔHが正の数だと自発的反応、ΔGが0だと平衡状態であることを表す。また、－ΔG＝nFEとも表すことが出来る。Fはファラデー定数[C/mol]で、電圧はE[V]、nに単位はないためΔG[J/mol]と表した。標準電極電位がネルンストの式にどれほど影響を与えるかを教科書の数値に当てはめて表現した。 演習は教科書から電池系を1つ選んで電池式として表記し、電極海面の界面電位差を電位プロファイルとして図示することだった。電池系の中でダニエル電池を選び、横軸を距離、縦軸を電位として電位プロファイルに表した。ダニエル電池は銅と亜鉛を使っており、銅の電位一定で高く、電解質で一定の電位に下がり、亜鉛で一定の電位にさらに下がった。 演習として銀塩化銀電極の構造と作り方を調べた。銀塩化銀電極は電極に表面が塩化銀の銀、溶液に塩化カリウム溶液を用いており、AgCl+e??Ag+Cl?といった化学反応が起こっていた。標準電位は0.2223V、塩化銀は銀を塩酸で酸化させることで生成できることがわかった。
A.復習 図形の表し方、電気量と質量は比例する(ファラデー定数)Q=mF 電流と電気量、電流は反応速度に比例 電流密度 ギブスの自由エネルギー G=H-TS S:エントロピー H:エンタルピー G＜0 自発的反応 ーーーーーーーーーーーーーーー ギブスの自由エネルギーと電気エネルギー G=nFEcell n(mol) nは無次元数 F(C/mol) Ecell(V) G(J/mol) 単位なし=無次元数=1 電気量C(nF)×電圧V(Ecell) 示量因子 示強因子 活性化エネルギー E=ΔG/nF 現代p36~39 平行定数 亜鉛は-0.763V 銅は0.337V 標準水素電極を0と定義し、相対的な値を示す Cu2++2e-=Cu (??or=て表すこと！) (反応が見かけ上進んでないので反応速度は0として考える)平行論的な考え方 =電流も0(補償法) ??速度論 Cu2++2e-→Cu 矢印の向きが決まる 起電力があればそこに電気エネルギーはあるが、なにも起こってないと言っても良いのか？？ 現代p35 電位の濃度依存性とは、ある物質の濃度が変化すると、その物質が電位に与える影響を指します。具体的には、イオンの濃度が変化すると、イオンの電位（電極電位など）も変化する現象です。ネルンストの式によって表される プロトンの活量1の時のpHは0 現代P40 ①銀・塩化銀電極の反応式に対応する ②なんの濃度に依存するのか(水に溶けるのはイオンの濃度に関わる) ③ネルンストの式で表現 電池の起電力(electrforce :単位はV) 電位差計電極の電位差(電位プロファイル)を求める
A.①ギブスの自由エネルギーやネルンストの式は平衡がつりあうときの式として学びました。 ②ワークショップでは電極をかきました。 ③ネルンストの式にあてはめて考える。
A.①今回はネルンストの式を軸に、電池の起電力が発生する仕組みと、それに関係するpHに関する化学反応について学んだ。鉄の3イオンと2イオンの間の関係をネルンストの式で表したところ、電池の起電力は酸化力が大きいほど高いことがわかった。 ②今回のディスカッションでは、教科書の図を参考にしてダニエル電池の電位のプロファイリングを行なった。この図を見ると、やはり酸化力が大きい方が電位が高く、だんだん距離が離れ負極になるほど電位が低くなっていることがわかるだろう。私はこの発表で調査係として教科書の記述を探し、他のメンバーに共有する役割をしていた。 ③電池の基本的な仕組みについて学習したが、pHが関係しない電池についても調べてみようと思った。
A. ①テーマはギブスエネルギーとネルンストの式についてである。まずは、ギブス自由エネルギーと電気エネルギーの関係は、現代の電気化学において－ΔG=nFEcellと記述されている。右辺のnFが示量因子で、Ecellが示強因子である。ここで、nは化学反応式の係数で無次元数であるので注意する。次に、標準酸化電位は標準水素電極を基準としており、標準酸化電位と濃度の関係を表したものはネルンストの式である。銀-塩化銀電極についてのネルンストの式を立ててみるとE=0.2224-RT/F In([?Cl?^-])となる。 ②電極近傍の電位プロファイルを描く発表では、ダニエル電池を選んだ。グループ名はあえんで、グループのメンバーは私を含めてHUYNHVINH KHANG、山口竜樹、久保明裕であり、私の役割は調査であった。銅の方が標準酸化電位が高いため、銅から亜鉛に向かうような電位プロファイルを描いた。 ③07-03「銀塩化銀電極の作り方」で取り組んだ内容を次に示す。塩化銀電極の構造は、塩化銀で覆われた固形の銀線で構成されていて、電極は塩化カリウムと塩化銀の溶液が入ったチューブ内にある。作り方は、表面をきれいにした銀線を、塩化カリウム水溶液または塩酸で陽分極すると、表面に塩化銀の膜が形成される。これを塩化カリウム水溶液に入れることで銀塩化銀電極ができる。
A.今回はギブスエネルギーと電気エネルギーについて考えました。ΔG=-nFEで表せることがわかりました。これは、電気エネルギー=電気量×電位差という関係だと学びました。Nは単位がなしであることがわかり、1モルと間違えやすいため注意が必要だと思いました。また、活性化エネルギーの式についても考えました。ΔG=mRTで表します。平衡の場合は、反応速度はゼロであることがわかりました。ネルンストの式についても学びました。温度などの変化による電極電位の変化を表すと学びました。E=E-(RT)/(nF)lnQで表します。また、ダニエル電池と電位プロファイルについて学びました。電池内の電位変化に注意して求めることがわかりました。標準電極電位から起電力を求めることを学びました。 グループワークではダニエル電池での電位プロファイルについて話し合いました。その後、実際かいて理解を深めることができました。
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第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
