ダニエル電池

ダニエル電池（ダニエルでんち、）は、イギリスの化学者ジョン・フレデリック・ダニエルが1836年に発明した化学電池（ガルバニ電池）。現代でダニエル電池と言った場合は、硫酸銅(II)水溶液と硫酸亜鉛溶液を素焼きの板（または塩橋）で仕切った構造のものを指す。最初の化学電池であるボルタ電池が気体の発生により起電力が落ちる構造的課題を解決したものであり、起電力を長時間維持することができた最初の実用的な電池である。

1800年にアレッサンドロ・ボルタが完成させたボルタ電池は画期的な発明であったが、原理上、正極に水素気泡が発生することにより起電力がすぐに衰退する（分極）という欠陥があった。ダニエルは正負極それぞれに異なる溶液（電解液）を用い、それをイオンのみ移動できる仕切り（セパレータ）を用いることで、分極を防ぎ、長期的に安定した起電力を得られることを発見した。その後、1853年にJ. F. フラー（J. F. Fuller）が負極の硫酸を硫酸亜鉛にする改良を行って電池を長持ちさせ、現代に知られるダニエル電池となった。ダニエル電池またはその改良電池は当時、普及し始めた電信の電力源として用いられ、電気技術発展の黎明期に貢献した。

1881年に起電力の単位ボルト（V）を定義にするにあたってはダニエル電池の起電力が基準と定められ、1.0ボルトとされた。その後、国際単位系に基づくボルトの再定義により、現在のダニエル電池の起電力は約1.1ボルトとなっている。

 原理 

正極に銅板を、負極には亜鉛板を用いる。ここまではボルタ電池と同じであるが、電解液として正極に硫酸銅(II)水溶液、負極に硫酸亜鉛溶液（希硫酸でも良い）の2種類を用い、それを素焼きの板など溶液自体は混ざらずにイオンのみ移動できるもので仕切る。負極の亜鉛は、硫酸に含まれる水素イオンより金属のイオン化傾向が大きいため電子を失って2価の陽イオンとなる (Zn2+)。電子は導線を伝わって銅板に流れ、硫酸銅溶液中の銅イオン (2Cu+) と反応して銅を析出させる。この一連の酸化還元反応のエネルギーを電子の流れにし、電気エネルギーに変換するのがダニエル電池である。

ダニエル電池の反応式は次のように表される。 

(-) Zn | ZnSO4aq | CuSO4aq | Cu (+)
 負極 : Zn -> Zn^{2+}\ + 2\mathit{e}^-       亜鉛が亜鉛イオンに変化、電子が発生
 正極 : Cu^{2+}\ + 2\mathit{e}^- -> Cu       銅イオンが電子を受け取り、銅に変化
 全体 : Zn\ + Cu^{2+} -> Zn^{2+}\ + Cu        亜鉛が亜鉛イオン、銅イオンが銅に変化

ボルタ電池は水素イオンが還元されて生じた水素分子（絶縁体）が正極に付着することで起電力が落ちるという欠点（分極）を抱えていたが、ダニエル電池は硫酸銅水溶液から銅イオンが還元されて正極と同じ金属銅を析出させるため、長時間、安定的な起電力が可能となった。また、単体の希硫酸を用いるよりも、より安全で腐食性が低いという利点もあった。もちろん限界はあり、ボルタ電池と同じく負極が消耗する以外にも、素焼き板の孔が析出した銅によって塞がり、イオンの移動ができなくなると起電力は減衰する。

現代のダニエル電池の原理を説明する実験においては、セパレータを素焼き板以外に塩橋や他の代替物質に置き換えることがある。

 初期の構造 
1836年にElizabeth H. Oakes, A to Z of STS Scientists, p. 72, Infobase Publishing, 2009 .ジョン・フレデリック・ダニエルは、硫酸銅溶液を満たした直径約8.9cmの銅製円筒内に、硫酸溶液と直径約1.3 cmの亜鉛棒を入れた、牛の食道管の管状の袋を吊るし入れた構造の電池を発明した。すなわち、正極が銅容器、負極が亜鉛棒、牛の食道を多孔質の膜（仕切り）としてイオンを通過させる構成であった。

当時の時点でダニエルは牛の食道の代わりに素焼きの管を用いる方法も提示していたが、牛の食道と比較して起電力が落ちるとしていた。また改良案として費用対効果を無視してもいいのであれば、銅を白金に、硫酸銅を塩化白金酸にする方法を提案していたJohn Frederic Daniell,  An Introduction to the Study of Chemical Philosophy, pp. 504–505, John W. Parker, 1843  (pp. 438–439 in 1839 edition  in which the comments about platinum do not appear).。

負極の溶液を硫酸亜鉛に置き換える改良は1853年にJ. F. フラー（J. F. Fuller）が提案したものであり、現代においてダニエル電池と言った場合、負極は一般に硫酸亜鉛溶液であるThomas Kingston Derry, Trevor Illtyd Williams, A Short History of Technology from the Earliest Times to A.D. 1900, p. 611, Courier Corporation, 1960 .。またダニエルが提案していた素焼きの管（仕切り）を用いるのも一般的となった。

当時、整備が始まった電信網の電力源として普及したが、1860年代以降はルクランシェ電池に置き換えられていった。

 脚注 

 注釈 

 出典 

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