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1B．電池の作製と観察
－ 現象の理解 － 電磁波とは光とは 光の発生源 炎（炭素） O エネルギーとは 物質とは何か 炎色反応＝電子の遷移 C O → OCO フィラメント 金属原子，封入ガス 蛍光灯 雷（放電） ＬＥＤ 太陽 p p n → pnpn → pnpnpnpn →電荷の移動→ 空間の歪み 電磁波 放出 ・・ ポテンシャルの変化 ニュートンのリンゴ ＝ 山に降った雨 → 水力発電 → 熱 平野に降った雨 → 熱 何もない空間を引き裂く、ということ バランスシート貸借対照表 通貨は信用力を持った情報 原子核 [email protected] 現象の理解:電気とは？ 電磁波，光とは？ LED発光 電磁誘導 ：発電機の原理 電池，ソーラー電池 エネルギー効率90％ 光，化学エネルギー → 電気 タービン，ピストン エネルギー効率３０％ 熱エネルギー → 運動エネルギー→ 電気 [email protected] 本日のお題は 理論解明から実用化へ 研究から開発への発展 これまでわかったこと： 金属原子の特徴は 最外殻の電子であり， (1)自由電子が電気伝導，原子の配列の自由さが延性，の原因である。 (2)最外殻の電子の外れやすさ，イオン化傾向の違いを実験で確認した。 金属が溶解，イオン化することは， 見方を変えると「錆びることである」→電気接点の接触不良 この『理論』を『研究』して，電池ができあがる（ボルタの電池） (3) ・・・が，問題があり売り物にならない。そこで『実用的』な電池（ダニエル 電池，車のバッテリー鉛蓄電池）を『開発』する。 ・航空機のリチウム充電池， 携帯電話も電池の性能がカギ [email protected] 金属の状態変化 と 電位現象 ボルタの電池 （化学反応とは電子の授受） 30+ 29- Zn+ - Zn+ Zn+ Zn+ - Zn+ - - - - 水素イオン ★軽くなる H+ Cu+ - O H+ - Zn+ - - H Zn+ Zn+ - H Zn+ Zn+ - Zn+ - - ★水素ガスが発生 O Zn++ H+ O- 亜鉛 金属固体状態 - S 亜鉛イオン Cu+ O- Cu+ - O 硫酸イオン - H2の気泡が極板表面を覆う。 分極： H2とCu板との電池を 形成，電子が逆に流れる ★電圧の変化から実用的な問題を探る 電位差 ポテンシャル(引力強さ） ＝ テキストと違う操作 ＝ - 電位発生 モータープロペラをつけたまま - （負荷を掛けたまま）電圧を計測すること (水素イオン) Zn++ 亜鉛イオン[email protected] 豆電球 消費電力 大 １V以下では光らない ソーラー用 プロペラモーター 消費電力 小 低い電圧でも回る 電圧計 並列接続 電流計 直列接続 [email protected] 前回のおさらい 金属が溶けると電位が発生 電池１セルはなぜ数ボルトなのか 化学反応も数ボルトの世界 金属原子（Zn)は プラスに帯電している 原子が溶解（陽イオン）することで， 陰電子を金属板に残す ＝ 陰極 水中の陽イオン（H＋，Cu++)は金属板から陰電子を受け取って， 凝集する＝陽極 - 電位差は 数ボルト まで LEDも - -2.36V Mg++ Mg星 ヒント -0.76V 0V Zn++ H+ Cu++ 水素星 銅星 Zn星 酸化還元電位 0.34V 1.6V 1.1V イオン化ポテンシャル あとは講義で [email protected] Zn，Cuの質量変化を予測する 問１ 何Aの電流が何秒間流れたか 問２ 電荷移動量は 何モル分のZn,Cuの変化に相当 するか 問３ Zn,Cuの質量変化は 何ｇか 既知データ プロペラモーター 消費電力 電荷×mol = 96500 A・秒 原子量 解答例 Zn 65 g/mol 20mW ? （1秒あたりの電流×電圧） （１Fdの電荷量） Cu 62 g/mol （アボカドロ数分原子） 1Fd = 96500 c, 1A=1 c/s → 20mA600s 移動電荷量＝ 12 c = 12/96500 Fd = (1/2)(12/96500) mol = (1/2)(12/96500)65 gZn = (1/2)(12/96500) 62 gCu [email protected] 放電時 [email protected] 実験機材片付け 講師 用 ・チェックシート 返却 TAの確認サインもらうこと。 ・純水は満タン返却のこと。 ・実験台は純水とキムタオルで拭いて清掃 -------------------------------------------------・事実 Result と （推理 Discussion） 例: 事実＝泡が発生した （推理＝水素ガス，推論＝Ｚｎ → Ｚｎ+ ・・・ Ｈ+ → Ｈ2 ） ・テキスト記録をリザルトシートに写して ※【重要】・リザルトシート提出(返却しない) テキスト持参 (両方に確認印もらうこと) [email protected] 実験課題1Bー１ ボルタ電池の作製 その値は事実ですか? 真実に近いですか。 誤差とは何か？ 標準偏差σとは ← 出現度数 この確率で実測値が出現する ５－１０回のデータだけで標準偏差 がわかる 詳細は 統計学 推計学を受講 ←真の値 平均値 (μ) と標準偏差 (σ) 及び度数 http://www.cap.or.jp/~toukei/kandokoro/html/14/14_2migi.htm [email protected] グラフ，図の記述の仕方。 図に示す。表に掲げる。 誤差の大きさを ひげの長さで表す例 ドットの大きさは 誤差の大きさ 補内値に自信のあるとき または理論線 図の表題は下に， 表の表題は上に [email protected] ダニエル電池 開発実用化への発展 ★軽くなる 30+ 29- Zn+ - Zn+ Zn+ - Zn+ - - Zn+ Zn+ - S - - O O- - Zn+ - Cu+ O - - Cu+ O- S O- Zn+ Zn+ - OO - - - O Zn+ Zn+ ★水素気泡 は？ - - - ★銅が析出 重くなる Zn++ Cu++ 銅イオン Cu+ - 電位差 ポテンシャル(引力強さ） ★電圧の 変化は？ ボルタと 比較 陶磁器 ガラス質がすき間を 埋めている - 電位発生 (水素イオン) - 素焼き すき間だらけ水 を通す 基礎化学実験１ 課題 3 （D307 教室，セラミック分野） Page 3 Zn++ Cu++ 亜鉛イオン[email protected] 銅イオン 自動車のバッテリー ★充電は豆電球，電圧計外して行う。 Pb Pb Pb SO4 酸化数の変化 充電 O O 2H+SO42- Pb4+2O2- → Pb2+SO42- 2H+ 溶液重くなる 鉛蓄電池 lead battery SO4 2H+2H+SO42- → Pb2+SO42- 2H2O Pb Pb 放電 SO4 SO4 ★放電電圧の計測は豆電球を つないだまま行う。 可逆的 水素ガス発生無 http://www.geocities.jp/don_guri131/ionnkakeikou.html [email protected] 放射線のエネルギー（強さ，質，高さ）が問題 物質構造科学研究所 http://pfwww.kek.jp/indexj.html A M ＋ － T V 電 子 レ ン ジ 水 分 子 並 進 ニ ク ロ ム 線 化 学 結 合 放 電 電 子 遷 移 ＋ H 化 学 結 合 切 断 空 間 切 断 イ オ ン 化 ＋ H OH 切断，電離 波長が短いということ 揺さぶる力が強いということ － OH 共鳴， 吸収 － [email protected] ボルタ と ダニエル どちらが事業家として成功するか 1）開発部門（29件） 社会経済、国民生活の発展向上等に寄与し、実際に利活 用されている画期的な研究開発若しくは発明を行った 2）研究部門（41件） 科学技術の発展等に寄与する可能性の高い独創的な研究 又は開発を行った http://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/25/04/__icsFiles/afieldfile/2013/04/08/1332785_01.pdf [email protected] 今一歩突っ込む（考える）こと （研究） それが 学問 大学単位の構造 教室 研究室 実験，物証 講義 自学自習 図書館 （インターネット） 資料調査 [email protected]