ダニエル電池のイオン移動Daniell Cell: How Ions Move

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 電池として電流を流し続けると、亜鉛板と銅板はそれぞれどのように変化すると思いますか。If the cell keeps supplying current, how do you think the zinc plate and the copper plate will each change?💡 亜鉛と銅では、どちらがイオンになりやすい金属でしょうか。Which metal forms ions more easily, zinc or copper?
2. 導線を流れる電子の向きと、電流計が示す電流の向きは同じだと思いますか。Do you think the direction electrons flow in the wire is the same as the direction of the current shown by the ammeter?💡 電流の向きは、もともと「＋の電気が流れる向き」として決められています。電子の電気は＋でしょうか、−でしょうか。Current direction was defined as the direction positive charge flows. Is the charge of an electron positive or negative?

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態（液温 25 ℃、亜鉛板の表面積 60 %）で、導線上の水色の e⁻ がどちらの板からどちらの板へ動くか、また図の上の「電子 e⁻：Zn→Cu」「電流：Cu→Zn」の表示と赤い矢印の向きを確認する。In the starting state (Temperature 25 ℃, Zinc plate surface area 60 %), watch which plate the light-blue e⁻ particles on the wire leave and which they reach, and compare with the labels "Electrons e⁻: Zn→Cu" and "Current: Cu→Zn" and the red arrows at the top.
2. 多孔質板（セロハン）付近を観察し、灰色の Zn²⁺（＋）と黄色の SO₄²⁻（−）がそれぞれどちら側へ移動するかを見る。パネルの「電気的中性」の＋と−の数も読み取る。Watch near the porous wall (cellophane): see which side the gray Zn²⁺ (+) and the yellow SO₄²⁻ (−) each move toward. Also read the + and − totals under "Neutrality" in the panel.
3. 「液温」を 0 ℃ と 60 ℃ に、「亜鉛板の表面積」を 20 % と 100 % に変え、「電流計」の値（mA）と「反応速度」の倍率、電子の流れる速さを比べる。Change "Temperature" to 0 ℃ and 60 ℃, and "Zinc plate surface area" to 20 % and 100 %. Compare the "Ammeter" reading (mA), the "Reaction rate" factor, and how fast the electrons move.
4. 液温 60 ℃・表面積 100 % のまましばらく（約 40 秒）動かし、「亜鉛板（液中部分）の厚さ」「銅板の厚さの増加」のバー、銅側の青色の濃さ、電流計がどうなるかを観察する。終わったら「リセット」を押す。Leave it running at 60 ℃ and 100 % for about 40 seconds. Watch the "Zinc plate thickness (in liquid)" and "Copper plate growth" bars, the blue color on the copper side, and the ammeter. Press "Reset" when done.

3確かめようCheck

1. 電子と電流はそれぞれどちらからどちらへ流れていましたか。Which way did the electrons flow, and which way did the current flow?→ 電子は導線を亜鉛板から銅板へ（Zn→Cu）流れ、電流は導線では銅板から亜鉛板へ（Cu→Zn）と逆向きに流れる。電池内部（水溶液中）の電流は亜鉛側から銅側へ向かう。Electrons flowed through the wire from the zinc plate to the copper plate (Zn→Cu); the current in the wire flowed the opposite way, from copper to zinc (Cu→Zn). Inside the cell (in the solutions) the current goes from the zinc side to the copper side.
2. 多孔質板を通って、Zn²⁺ と SO₄²⁻ はそれぞれどちらへ移動しましたか。そのとき「電気的中性」の数はどうなっていましたか。Through the porous wall, which way did Zn²⁺ and SO₄²⁻ each move? What did the "Neutrality" numbers show?→ Zn²⁺ は銅側（正極側）へ、SO₄²⁻ は亜鉛側（負極側）へ移動した。亜鉛側も銅側も＋と−の数がいつも等しく（例：＋14／−14）、両方の水溶液が電気的に中性に保たれていた。Zn²⁺ moved to the copper (positive) side and SO₄²⁻ moved to the zinc (negative) side. On both sides the + and − totals were always equal (for example +14 / −14), so both solutions stayed electrically neutral.
3. 液温や亜鉛板の表面積を変えると、電流計の値はどう変わりましたか。How did the ammeter reading change when you changed the temperature or the zinc surface area?→ どちらも大きくするほど電流が大きくなった。例：25 ℃・60 % で約 36 mA、0 ℃ で約 15 mA、60 ℃ で約 121 mA、25 ℃・100 % で約 60 mA、60 ℃・100 % で約 202 mA。電子の流れも速くなった。Raising either one increased the current. For example about 36 mA at 25 ℃ and 60 %, about 15 mA at 0 ℃, about 121 mA at 60 ℃, about 60 mA at 25 ℃ and 100 %, and about 202 mA at 60 ℃ and 100 %. The electrons also moved faster.
4. 長く反応を続けると、亜鉛板・銅板・水溶液の色はどう変わりましたか。After the reaction ran for a long time, how had the zinc plate, the copper plate, and the solution color changed?→ 亜鉛板は溶けて薄くなり（約 52 % まで）、銅板は同じ分だけ銅が析出して太くなった（＋48 %）。Cu²⁺ が減るので銅側の青色がうすくなり、亜鉛側は Zn²⁺ が無色なので色は変わらなかった。やがて電流計が 0 mA になり反応が止まった。The zinc plate dissolved and got thinner (down to about 52 %), and the copper plate grew thicker by the same amount (+48 %) as copper was deposited. The blue on the copper side faded as Cu²⁺ was used up, while the zinc side stayed colorless because Zn²⁺ is colorless. Finally the ammeter dropped to 0 mA and the reaction stopped.

4考えようThink further

1. 多孔質板（セロハン）がまったくイオンを通さない板だったら、電流はどうなると考えられますか。If the porous wall (cellophane) let no ions through at all, what do you think would happen to the current?→ 亜鉛側には Zn²⁺ が増えて＋に、銅側では Cu²⁺ が減って−にかたよるため、亜鉛から電子が出にくく、銅板が電子を受け取りにくくなり、電流はすぐに流れなくなる。イオンが移動して中性を保つことで電流が流れ続ける。The zinc side would build up extra positive charge (more Zn²⁺) and the copper side extra negative charge (fewer Cu²⁺), so electrons could no longer easily leave the zinc or be accepted at the copper, and the current would quickly stop. Ion movement keeps the solutions neutral so the current can continue.
2. 亜鉛板が減った分と銅板が増えた分が等しく表示されるのはなぜですか。Why is the amount of zinc lost shown as equal to the amount of copper gained?→ Zn 原子 1 個が出す電子 2 個を、Cu²⁺ 1 個がちょうど受け取って Cu 原子 1 個になるので、溶けた亜鉛原子の数と析出した銅原子の数が等しくなるから（質量は原子の重さが違うので等しくはない）。The 2 electrons released by one Zn atom are exactly what one Cu²⁺ needs to become one Cu atom, so the number of zinc atoms dissolved equals the number of copper atoms deposited. (Their masses are not equal, because the atoms have different masses.)

よくある誤解Common misconceptions

• 電流は電子の流れと同じ向きに流れる（実際は電流の向きは電子の流れと逆で、導線では Cu→Zn）。Current flows in the same direction as electrons (in fact current is opposite to electron flow: Cu→Zn in the wire).
• 電子が水溶液の中や多孔質板を通って戻ってくる（実際は電子は導線を通り、水溶液中で電気を運ぶのはイオンである）。Electrons travel back through the solution or the porous wall (in fact electrons travel only through the wire; in the solution, ions carry the charge).

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)