ウェストン電池

ウェストン電池：精密測定を支えた標準電池

ウェストン電池は、安定した電圧を生成することで知られる湿式化学電池であり、実験室における電圧計の較正基準として広く用いられてきました。1893年にエドワード・ウェストンによって発明され、1911年から1990年まで国際標準電池としてその地位を確立していました。カドミウム標準電池と呼ばれることもあります。

電池の仕組み

ウェストン[電池]]は、特徴的な構成によって高い安定性を達成しています。負極にはカドミウムアマルガム（水銀とカドミウムの合金）、正極には純水銀を用い、正極上には硫酸水銀]と[[水銀のペーストが配置されています。電解質には硫酸カドミウムの飽和水溶液が用いられます。

H型のガラス容器に、一方の脚にカドミウムアマルガム、もう一方の脚に純水銀を収容した構造をしています。それぞれの電極には、白金線を介して外部回路に接続されます。

電極反応

ウェストン電池では、以下の電極反応が起こります。

負極反応:

Cd(s) → Cd²⁺(aq) + 2e⁻

カドミウムが酸化され、2個の電子を放出します。

正極反応:

(Hg₂)²⁺SO₄²⁻(s) + 2e⁻ → 2Hg(l) + SO₄²⁻(aq)

硫酸[水銀]が還元され、水銀と硫酸イオンになります。

これらの反応によって、安定した電位差が生み出されます。

特徴と温度係数

ウェストン電池の大きな特徴は、その低い温度係数です。これは、温度変化による起電力の変動が小さいことを意味し、精密測定に適しています。初期の設計である飽和カドミウム電池では、0℃から40℃の範囲における起電力Eₜは、以下の式で表されます。

Eₜ/V = E₂₀/V − 0.0000406 (t/℃ − 20) − 0.00000095 (t/℃ − 20)² + 0.00000001 (t/℃ − 20)³

この式は1908年のロンドン会議で採択されました。その後、不飽和型が主流となり、温度係数はさらに低減されましたが、不飽和電池は起電力が経時的に減少するため、定期的な較正が必要となります。

ウェストン電池の歴史的意義

ウェストン電池は、その高い精度と安定性から、長年にわたって電圧計の較正や精密測定において重要な役割を果たしました。クラーク電池に比べて温度係数が小さく、より安定した基準電圧を提供できたことが、国際標準電池としての採用に繋がりました。しかし、現代ではより精度の高い標準電圧源が開発され、ウェストン電池は歴史的な役割を終えています。

まとめ

ウェストン電池は、精密測定の歴史において重要な役割を果たした標準電池です。その安定した電圧と低い温度係数は、科学技術の発展に貢献しました。本稿では、ウェストン電池の仕組み、特徴、歴史的意義について解説しました。

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