ボルタ電池で電圧が下がる理由

ボルタ電池は、つないだ直後はしっかりした電圧が出ます。
ところが、時間がたつとだんだん数値が下がっていくことがあります。

「材料はまだ残っているのに、どうして？」と不思議になりますよね。
実は、電池の中ではいくつかの変化が同時に進んでいます。とくに大きいのが分極と濃度の変化。この2つが重なって、電圧を下げていくのです。

最初は高いのに、どうして電圧は下がるの？

ボルタ電池では、亜鉛が電子を出し、水素イオンがそれを受け取ります。
この反応がスムーズに進んでいるあいだは、電圧も安定しています。

反応が進むにつれて内部の条件が変わり、電圧は少しずつ下がっていくのです。

反応はずっと同じではない

最初は亜鉛も水素イオンも十分にあります。
だから電子の流れも勢いがあります。

でも時間がたつと、亜鉛が減ったり、水素が発生したりして、内部のバランスが変わっていきます。
その変化が、電圧の低下につながるのですね。

──電池の中は、使うたびに少しずつ変わっているのです。

分極ってなに？表面の変化が電池を弱らせる

電圧低下の大きな原因のひとつが分極です。
これは、正極に水素ガスが付着する現象のことです。

水素の泡が電極をおおうと、電子の受け渡しがしにくくなるのです。

表面がふさがれると…

電池の反応は、金属の表面で起こります。
ところが水素の泡が付くと、電解液と金属が直接ふれ合えなくなります。

その結果、電子の流れにブレーキがかかります。
このブレーキのような働きが、電圧を下げてしまうのですね。

──分極は、電池の“表面トラブル”といえるでしょう。

濃度が変わるとなぜ電圧まで変わるの？

もうひとつの原因が、電解液の濃度変化です。
反応が進むと、亜鉛イオンが増えたり、水素イオンが減ったりします。

イオンの濃度が変わると、反応の進みやすさが変わり、電圧にも影響するのです。

バランスがずれると

電池の電圧は、金属とイオンのバランスで決まります。
このバランスが変わると、電子を押し出す力も変わります。

最初は大きかった押す力が、だんだん小さくなる。
それが、電圧の低下として表れるのです。

──濃度の変化は、目に見えないけれど確実に効いてくる要素なのですね。

ここまでで「ボルタ電池で電圧が下がる理由」が整理できました。
ポイントは、分極と濃度変化のダブルパンチです。

まとめると──

1. 反応が進むにつれて内部の条件が変わる。
2. 分極によって電子の受け渡しがじゃまされる。
3. イオンの濃度変化が電圧を下げる方向に働く。

──以上3点が、電圧低下の主な理由です。

ボルタ電池は、反応が進むことで少しずつ内部が変わっていきます。分極と濃度変化が重なることで、電池の押し出す力はだんだん弱まっていくのです。電池の仕組みを知ると、数値の変化にもちゃんと理由があることが見えてきますね。ということになるのですね。