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スポルティーフ、フォールディングバイク、クロスバイク乗り回す学生サイクリストのブログ。毎日自転車通勤通学。

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【理科実験】最先端の環境技術、燃料電池をつくってみた。  

小中高生にとっては夏休みも終わりに近づき、いまだ課題に追われている人もいるかもしれない。
アクセス解析によると、この夏、当ブログへのアクセスのほとんど理科実験記事だった。
検索ワードでは卵の殻を溶かす実験やら、10円玉をピッカピッカにする実験が人気の模様。
自転車中心ブログなのにアクセスの大半が理科実験記事ということは実験系記事を多くしたほうが良いのかも。

今回はいまだ自由研究のテーマに迷っている、工作という形で学校に展示したいという方にオススメの実験を行う。
電気を起こしても生成物が水だけという何とも環境にやさしいと話題の燃料電池をテーマにする。
身近なものを使って電池をつくってみた。火を使うので必ずお家の人が見ている中で作業すること。

まず用意するものは
・9Vの6P型乾電池



・スポーツドリンクとペッドボトル(500mlあれば十分)。私は粉末状のものを溶かして作りました



・ワニ型クリップ(今はみのむしクリップというのかな?)付き銅線2本



・瞬間接着剤(瞬間でなくてもよい)



・BBQ焼き網




・いらない鉛筆2本(同じ長さ)



・軍手



・ピンセット



・桶



・紙やすり




・千枚通し



・発光ダイオード



軍手は無くても可能、桶、千枚通し、ピンセット、BBQ焼き網は代用可。


鉛筆を用意してもらったのは、鉛筆の芯を電池の電極にしたいから。

CIMG3411_R.jpg


芯だけ取り出すために、コンロで焼く。
芯が赤くなったタイミングで火を消して、中の芯を取り出す。


CIMG3414_R.jpg

CIMG3415_R.jpg

勢い余って炎を上げてしまったが、中の芯は無事だった。



CIMG3416_R.jpg


本来は中の芯をピンセットで抜く作業をするが、芯だけ残ったのでその必要はなかった。桶に入れておいた水に浸けて冷やす。


CIMG3412_R.jpg

芯を冷やしてから取り出し、乾かしている間にペットボトルの蓋に穴を開けておく。
千枚通しを用いると簡単。無かったらドライバーを使ってもいいかも。
上の画像は二箇所しか穴は無いが、穴は三箇所開ける。ここでの注意点は鉛筆の芯が通るくらいの穴の大きさにすること。
また芯の先は互いに近いほど良い。かと言ってくっつけてはならない。
もう一箇所の穴は化学反応で発生した気体を通すために開ける。


CIMG3417_R.jpg

さらにスポーツドリンクを用意しておこう。粉末でつくっておいたスポーツドリンクを350mlのペットボトルに注ぐ。
芯が6,7割くらいスポーツドリンクに浸かればよい。


CIMG3418_R.jpg

さて、芯が乾いたところで、紙やすりの登場。
鉛筆の芯はデリケートなので折らないように注意しながら紙やすりでこすろう。
芯の表面に傷につけることで、化学反応がより早く進むようになる。


この理由は高校化学で習うように反応速度を変える条件の1つ「表面積」に関係する。
表面積が大きくれば、反応の起こる場所がそれだけ増えるわけで、粒子の衝突機会が増えるというわけだ。
例えば、粉ではない固体の入浴剤を例にあげよう。
入浴剤を入れて、泡がシュワシュワ起こる、あれは身近な化学反応であるが、お湯(液体)と入浴剤(固体)による反応である。
入浴剤はできるだけ砕いてお湯に浸けると砕かないときと比べて早く溶ける。
砕いたことにより入浴剤の表面積が大きくなり、お湯との衝突機会が増えたことによるからだ。
入浴剤の場合はシュワシュワが楽しいのであって早く溶けてはつまらないだろ!!って言われそうだけど。


閑話休題…、とにかく芯に傷をつけて表面積を大きくする。


CIMG3419_R_20130830005820a03.jpg

芯をペットボトルのふたに差し込んで接着剤で止める。
先ほども言ったようにた芯の先は互いに近いほど良い。かと言ってくっつけてはならない。
画像の手がキモいのは画像のリサイズミス。気にしない。


CIMG3421_R.jpg

スポーツドリンクを入れたペッドボトルに芯のついた蓋を取り付ける。これで形にはなった。


CIMG3422_R.jpg

CIMG3420_R.jpg

次に芯を充電していく。乾電池とワニ型クリップを使って、芯と乾電池を接続しよう。
上の画像は電池ホルダーを使用したが、次の画像のように直接つないでも問題ない。
CIMG3426_R.jpg


CIMG3423_R.jpg
手で押さえないといけないが、自転車フロントライトに使っていたエネループ単4電池3本でも充電できた。
どうしても9Vの6P型乾電池が用意できなかったからこれもアリかも。


CIMG3424_R.jpg
CIMG3425_R.jpg

芯から泡が出始めたら充電完了(本当は泡が出てからもしばらく待ってみた方が良さげだった)。乾電池の+極をつないでいた導線を今度は発光ダイオードの足の長い方(+極)につなぐ。
発光ダイオードは足の長い方が+極、短い方が-極となっている。
同様に電池の-極をつないでいた導線を発光ダイオードの足が短い方(-極)をつなぐ。

すると

CIMG3431_R.jpg

このダイオードが







CIMG3432_R.jpg


ピンぼけしてんじゃねーか(`Д´)


画像ではわかりにくいですが、とりあえず点灯しました。
本当はもっとわかりやすく光るものなんですけどね。暗いところでやれば良かった。
充電が足りなかったのか、電極(鉛筆の芯)が十分にスポーツドリンクに浸っていなかったのか(もしくは芯が長すぎた)、はたまたスポーツドリンクが薄すぎたかもしれません。

さてみなさんは上手くいった前提で実験のまとめに入ります。
なぜ電気が起こったのか、そのメカニズムに迫ります。
まずスポーツドリンクは電流を流せる水溶液なのです。これを電解質水溶液と言います。
電気を流すことで水素と酸素に分解されます。これを電気分解と言います。穴から出てきた気体の正体はこの2つです。
電気を止めると、次は水素と酸素がくっついて水になります。このときに電気が発生するのです。つまり水の電気分解の逆で電気が生じるのです。
燃料電池とは水素と酸素を使って電気を起こす電池のこと。電気分解の逆が肝。

このような電池は前にも述べたとおり、水だけしか生じないので環境に優しい。
その上、エネルギーの効率に優れている。どういうことかと言えば、水素から直接電気を取り出している点。
これは化学エネルギーから直接電気エネルギーに変換しているので、エネルギーを変換するときのロスが少なくてすむ。
火力発電は二酸化炭素が発生する上、化学エネルギー→熱エネルギー→運動エネルギー→電気エネルギーと変換しているので、エネルギーロスが大きいのがわかる。

その他メリットとしては水素の入手が容易なこと、生成された水がお湯や飲料水として有効活用できる点、静音性などがあがる。
近年はエコカーのような自動車に利用されている。今騒がれているエネルギー問題でも燃料電池は省エネルギーの切り札になるかもしれない。
未来のエネルギーとして注目されている。


高校化学ではもう少し踏み込んで化学反応式を考えてみる。
電気分解のときの反応式は受験生ならかけていなければならない。
陽極が酸化されるということは常識、私は陽気に参加 (陽極は酸化)と覚えていた。陽極が酸化されることがわかっていれば、陰極は当然還元される。
なお、電池においては正極が還元、負極が酸化となる。電気分解と電池では逆と覚えておく。
そして
酸化される・・・電子を失う
還元される・・・電子を得る
だから

乾電池の負極につないだほうの電気分解による陰極では
銅イオンや、銀イオンなどイオン化傾向の小さい金属イオンは存在しないから、かわりに水素イオンが反応して、

WS000037.jpg

水溶液は酸性ではないから両辺に水酸化物イオン2OH-加えて、

WS000040.jpg

これが陰極で起こる反応である。陰極では電子を得ている。

では電気分解による陽極を見てみよう。こちらは水酸化物イオンが反応する。

WS000041.jpg

水溶液は塩基性ではないから両辺に水素イオン4H+加えて

WS000042.jpg

これが陽極で起こる反応である。陽極では電子を失っている。

全体では、陰極と陽極の反応式からe-を消去するように整理すると、

WS000045.jpg

このように水から酸素と水素が生じているのが全体の反応式を書くことで確かめられる。
また、実験の時に片方の電極の泡の出方が激しいことを観察したと思う。
反応式からわかるように水素と酸素は2:1の割合で生じている。
激しく気体が発生したのは水素、つまり陰極側なのだね。

発光ダイオードを光らせた時、電気分解の逆が起こっているから

WS000044.jpg

その逆の反応式を書けば確かに水だけが生成しているとわかる。


おまけ

発光ダイオードだけでなく、豆電球やメロディーICをつないでみても面白いかも。
あとは電池を増やしてみるとかね。見づらいと思うので、今後少しずつ編集していきます。





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Posted on 2013/08/30 Fri. 02:19 [edit]

category: 実験

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2015/08/16 12:51 | edit

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