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（続き）

（３）具体的にどうやって電気が流れる（放電する）のか？

高校化学で「金属のイオン化列」って習ったと思いますが（「貸そうかなまあある当てにすな酷すぎる借金」なら覚えている？）、金属を電解液に入れると、金属は電子を放出して陽イオンになろうとしますが、そのなりやすさを示したものです。

バッテリーを単純化すると、電解液に、二酸化鉛（プラスの極板）と、鉛（マイナスの極板）を浸し、両極板を導線で（間に負荷を入れて）繋いだ形になります。
すると、まずマイナス極板の鉛が極板に電子を残して鉛イオンとなって溶け出しますが（※1）、これが電解液中の硫酸イオンと反応して硫酸鉛という沈殿（結晶）が出来ます（※2）

一方、極板に残された電子は導線を通じてプラス極へ移動し、プラス極板の二酸化鉛及び電解液中の水素イオンと反応、更には電解液中の硫酸イオンとも反応して、水と硫酸鉛が出来ます。

こうして電解液中の水が増え比重が下がる訳ですが、一方で硫酸鉛は両方の極板の表面に付着するため（極一部は沈殿する）、電解液中の硫酸濃度の減少及び極板の反応面積（≒活物質）の減少により徐々に起電力が下がり、最後は全く反応ができなくなります（深放電）

「電池は酸化還元反応である」と言いますが、マイナスの極板で起こるのが酸化反応（＝電子を放出する）であり、プラスの極板で起こるのが還元反応（＝電子を受け取る）です。

言葉だけだとよく解らないと思うので、図解します。



化学式で書くと、極板では次の反応が起こります。
負極　Pb → Pb2⁺ + 2e⁻（電極へ）
正極　PbO2 + 4H⁺ + 2e⁻ （電極から）→ Pb2⁺ + 2H2O

更に、鉛イオンは電解液中の硫酸イオンと反応するので、
負極も正極も　Pb2⁺ + SO42⁻ → PbSO4

全体式　Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O


（４）充電はどうやって行うのか？

充電は、負荷の代わりに充電器（走行中はオルタネーター）によってバッテリー自身よりも高い電圧を掛け、放電とは逆の電気（電子）の流れを与える事で、真逆の反応を無理やり起こさせます。

化学式だと、
正極（負電荷）　PbSO4 + 2H2O → PbO2 + H2SO4 + 2H⁺ + 2e⁻ （電極へ）
負極（正電荷）　PbSO4 + 2e⁻（電極から）→ Pb + SO42⁻

全体式　2PbSO4 + 2H2O → Pb + PbO2 + 2H2SO4

なお、硫酸鉛（結晶）が元に戻るときにどのような経緯を辿るかというと、プラス極板でいえば、結晶であるPbSO4が一旦溶解して（液中）、それがPb2⁺とSO42⁻に電離して、最後に酸化反応（還元剤：H2O）によりPbO2に戻ります。

もっとも、今までに述べた化学反応の諸段階はあくまで理論上の話で、実際には前後の段階が同時並行しながら反応が進むようです。

ちなみに、高名な自動車評論家ですら「プラグなどの電装品はバッテリーの電気で動かすが、そのままだとすぐにバッテリーの電気が足りなくなるので、同時にオルタネーターによって充電している」などと書いていますが、ここまで理解できれば、バッテリーが充電しながら放電している訳ではない事が、化学的な観点からも明らかになったと思います。


（さらに続く）


注釈
（※1）
既に酸化したプラス極板の二酸化鉛（酸化数＋4）より、マイナス極板の鉛（酸化数0）の方が酸化しやすく、どちらも中間の鉛イオン（酸化数＋2）を目指すことで、電子の移動が起こる。
という訳で、必ずマイナス極板の方により酸化しやすい物質を使うのが鉄則。
なお、金属が溶けだすというのは、腐食するということ。

（※2）
硫酸イオンと鉛イオンとは相性が良く、すぐに硫酸鉛という沈殿が生じる。
硫酸（H2SO4）に含まれる二つの水素原子のうち、一つまたは二つが金属などの陽イオンで置換されたものを硫酸塩というが、硫酸鉛（PbSO4）もその一つ。
ちなみに化学でいう沈殿とは、溶液中に不溶の固体（結晶に限らない）が現れる現象のことで、必ずしも底に沈む訳ではない。
なお、金属が酸化すると言うのは、錆びるということ。

バッテリーの充放電の仕組みですが、本にしてもネットにしても、いずれも硫酸鉛がどうとかダラダラ書かれているだけで、「書いている人も本当に内容を理解しているのか？」と疑問を投げたくなるような、非常に解りにくい物が多いので、解説してみたいと思います（※1）


（１）電解液の中で電気を流すのは誰？

よくバッテリーとコンデンサを混同している人がいますが、両者の違いの一つとして、内部を電気が流れるか流れないか？が挙げられると思う（※2）

金属のような導体の場合、導体内部を自由電子が移動することによって電気が流れる、というのはご存じの方も多いと思いますが、ではバッテリー内部の電解液の場合、一体どのようにして電気が流れるのか？と聞かれると、曖昧な理解の方が多いように思います。

答えから書くと、電解液（電解質溶液）では、電子ではなくイオンの働きによって電気が流れます。
イオン（ION）とはギリシャ語で「行く」と言う意味だそうです（電極に行く）
ちなみに「あ、だからスーパーのイオンって買い物に行くって意味か」というとそうではなく、あれはAEONなので別の言葉です（笑）

と冗談はともかく、ある物質を液体に溶かし、得られた液が電気を流せる性質の場合、その液を電解液といい、溶かした物質を電解質といいます。
バッテリーの場合、電解液が希硫酸で、電解質が硫酸です。

なお、満充電時の硫酸濃度は約37％（比重1.28/20℃）ですが、一般的には濃度90％以上のものを濃硫酸、それに満たない物を希硫酸といいますので、希硫酸だからと舐めてかかると危険です。


（２）イオン化とは？

まず希硫酸とは何か？と聞かれれば、「水で薄めた硫酸でしょ？」という答えが返ってくるかと思いますが、まあ確かにそうなのですが、では希硫酸の正体（中身）は何か？というと、答えに詰まるのではないでしょうか？
希硫酸の中身は、水分子H2Oと（硫酸H2SO4がイオン化してできた）水素イオンH⁺と硫酸イオンSO42⁻です（※3）

硫酸は水素イオンと硫酸イオンとのイオン結合でできていますが、イオン結合では例えば電子が1つ余った元素と1つ足りない元素が、お互いに電子を受け払いすることで結びついています（クーロン力で強固に結びついている）
ですが、イオン結合の場合、水のような液体に入れると意外とあっけなく結合が外れ、陽イオン（正イオン）と陰イオン（負イオン）とに電離しますが、これをイオン化すると言います。

これによって、正負のイオンが電解液中にあることで酸化還元反応が起きて電気が流れますが、詳しくは次回に。


注釈
（※1）
実際に誤情報が多いし、仮に内容が正しくても、文章というのは、まずは書き手が「なぜそうなるのか」という理由を含めて理解していないと、読み手には何も伝わらないと思ったので。

（※2）
言うまでもなく、バッテリーは電気を流すが、コンデンサは流さない。
もっとも、厳密に言えば、流さないのは伝導電流（電荷の移動を伴う電流）であって、変位電流（電束電流）は流すと言えるが。

（※3）
水のイオン積から分かるように、ただの水（純水）の中にはH⁺とOH⁻はほぼ存在しない（水の電離度は25℃でα=1.8×10-9と極めて小さいので、電離している水分子はごく僅か）