第 4 回「高校生・高専学生ポスター発表」優秀賞～

教科書のイオン化傾向から考えられる起電力の逆転現象
兵庫県立宝塚北高等学校 3 年(2021年 3 月卒業)

山本史佳(大阪大学薬学部学生)
図1

電圧計の＋端子に Zn 板，－端子に Al 板を接続し，水溶液の pH を変化させたときの起電力．

表1

一方の電極を Cu や Mg で固定し，もう一方の電極を Alと Zn を用いた電池の起電力．電解質水溶液は塩酸(pH＝0.33)のものを使用．

No.

電圧計の＋側電圧計の－側pH起電力(V)ます．本校は普通科・演劇科・グローバルサイエンス科(理1Cu

Al0.330.24

数科に相当)の 3 科からなり，私たちグローバルサイエンス

2

Cu

Zn

0.330.63

科の生徒は全員がグループでそれぞれの興味のあることに関

3

AlMg0.33

0.99

して課題研究を行います．今回発表した私たちの研究は 1

4ZnMg0.330.66

杣谷篤紀(大阪大学工学部学生)
宝塚市は大阪と神戸の中間にあるベットタウンで，手塚治虫記念館や宝塚歌劇団，その養成校である宝塚音楽学校などが有名です．この街の高台に私たちの通う宝塚北高校があり年生の夏に行った探究基礎実習の中の一つの課題「3 種の金属を見分ける」から始まりました．この課題は，Al, Zn, Cuのいずれからなる 3 枚の異なる金属板をそれぞれ同定するる電圧を測定する実験を行いました(図)．また， Al と Znというものです．私たちが使っている教科書にはイオン化傾のどちらが起電力の逆転に影響を与えているか確かめるため向が紹介されており，「Al は Zn よりもイオンになりやすい」に，標準電極(1)を用いて測定しようとしましたが，標準電極と記載されています．つまり，この 2 つの金属で電池を作を準備できなかったので，常温で一方の電極を Cu や Mg でると正極になるのは Zn ，負極になるのは Al となるはずで固定し，もう一方の電極を Al と Zn を用いた電池の電圧をす．私たちも含めて多くの班は 2 つの金属のイオン化傾向測定する実験を行ったり(表)，電解質水溶液を塩酸と水酸－1Cu化ナトリウム以外の水溶液を用いた電池の電圧を測定する実( NO3 )2 水溶液および 2.0 mol ･ L－1 KNO3 水溶液を用いまし験を行ったりしました．塩酸に水酸化ナトリウム水溶液を加た．そして，電流の向きから金属を同定しようと試みましえる実験では，pH 10～11で起電力が逆転することがわかりた．実験では，Al から Zn の向きに電流が流れました．このました． Cu や Mg を電極に固定した実験では，金属の組みことから，Al が正極，Zn が負極になり起電力の逆転現象が合わせによらず起電力の逆転が起こることがわかりました．

を利用して電池を作りました．電解液は， 2.0 mol ･ L生じたと判断しました．また， Zn 電極は黒く変色しまし

塩酸と水酸化ナトリウム以外の水溶液を使った実験では，酸た．そこで実習後，希望者を中心として夏休みなどを活用し性条件下では常に起電力の逆転が起こることがわかりましてさらに深く研究することになりました．

た．これらの結果から私たちは起電力の逆転は pH 11 以下まずはこの現象(以下，起電力の逆転と呼称する)が起こるで起こることを明らかにしました．

条件を調べました．水溶液の濃度や電解質水溶液につける表

また，私たちは pH によって変わる金属の性質について文

面積などを変化させることで起電力が逆転する要因を調べて献調査をしたところ，金属水酸化物の溶解度に関する文献(2)いく中で，水溶液の種類が起電力の逆転に深く関係しているが見つかり， Al と Zn 溶解度の大きさが pH＝8 付近で Al＜ということが分かりました．また，0.1 mol･L－1 塩酸，あるZn から Al ＞ Zn に変わることがわかりました．このことか

いは 1.0 mol･L－1 塩化カリウム水溶液を利用して電池を作製

ら，起電力の逆転の原因の 1 つが溶解度であると考え， 10したところ，起電力の逆転が確認されました．しかし， 1.0mL の 0.10 mol･L－1 ZnSO4 水溶液に 10 mL の 0.50 mol･L－1mol ･ L－1 水酸化ナトリウム水溶液に変えて実験を行ったと

H2SO4 水溶液を加えた混合液を，メスフラスコを用いて亜ころ起電力の逆転が起きないことが分かりました．

鉛イオン濃度[ Zn2＋ ]が 1.0 × 10－2 mol ･ L－1 となるように蒸そこで， pH が起電力の逆転に関係していると考えて，留水で希釈し， pH ＝ 1.27 の酸性水溶液を調製しました．そ

0.10 mol ･ L－1 塩酸にビュレットやマイクロピペットを用いの水溶液を 0.50 mol･L－1 H2SO4 水溶液を加えながら10倍ずて 0.10 mol ･ L－1 水酸化ナトリウム水溶液を加え， pH メーつ希釈し[Zn2＋]を 1.0×10－2～1.0×10－6 mol･L－1 とし，pHターで測定しながら pH を調整して Al と Zn との間で生じ＝ 1.10 ～ 1.40 となるように調製しました．その溶液を用い

ま て り あ 第60巻 第 8 号(2021)
Materia Japan

と確信できました．
この 2 年半，探究実習や課題研究を通してたくさんのことを学ぶ事ができました．これらの実験をする際，使用する金属板は毎回紙やすりで擦ったり，電解質水溶液につける面積も揃えたりするなど，教科書には載っていない気を付ける部分がたくさんあることに気付くことができました．また，他の高校ではできなかったであろう本格的な課題研究活動だ
けでなく，ポスターや発表の指導，文献の読み方，現在活躍されている研究者のお話を聞く機会などたくさんの学ぶ機会がありました．さらに，課題研究活動においては，5 人それぞれが自分の意見や疑問を出し，意見が衝突することも少なくありませんでしたが，それら全てと丁寧に向き合い，議論
図2電圧計の＋端子に Zn 板，－端子に Al 板を接続し，水溶液の亜鉛濃度[Zn2＋]を変化させたときの起電力．

を重ねることで研究を深める事ができました．そして，今回の発表では割愛しましたが，自作の光学顕微鏡や近隣の大学での電子顕微鏡で反応前後の金属板の表面を観察するなどいて，電圧計の＋端子に Zn 板，－端子に Al 板を接続し，各ろいろな可能性を検討するために多くの高校・大学の先生方濃度における電池の起電力を測定しました．その結果，いずに協力していただきました．今回，ポスター優秀賞を頂けた

れの Zn2＋ 濃度においても電圧の値は負でしたが Zn2＋ 濃度のは，沢山の方々の御協力のおかげだと思います．この研究の増加に伴い電圧はゼロに近づき，仮説を裏付ける結果を得者へのしっかりとした土台を作る事ができた素晴らしい環境ることができました(図)．しかし新型コロナウイルス感染に感謝するとともに，受賞者として恥じないような社会に貢症拡大の影響で学校が休校となり Al の濃度を変えたときの献できる研究者になることを目指して，それぞれ進学先でも実験は十分に行えませんでした．さらに実験を行い，仮説の精一杯頑張っていきます．

検証をする必要があると考えています．今回，私たちは手持文

ちのデータだけで最後の論文を提出するため，起電力が逆転

献する原因が他にもあるのではないかと考え，助言を求めて，金属学会に参加させていただきました．春の学会は中止とな( 1 ) 北村房男電気化学，70(2002), 295298.
( 2 ) 水浄化フォーラム―科学と技術―「pH と金属イオンの溶解度」
http: // water solutions.jp / tech _ basic 2 / neutralizing / ph _metalionsolubility/(2020.7.3閲覧)

り，初めての学会参加がリモートという中で上手く私たちの研究を伝え，議論を行うことができるか不安でしたが，たくさんの方に助言を頂くことができました．私たちにはなかっ(2021年 3 月29日受理)[doi:10.2320/materia.60.517](連絡先〒6650847 宝塚市すみれガ丘 4
11(宝塚北高校 担当木村))た視点からの助言が多く，自分たちの未熟さを痛感すると同時に，まだまだこの研究テーマについて深めることができる◇◇◇

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