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鉛蓄電池

約 5 分

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鉛蓄電池の仕組み

鉛蓄電池とは「鉛Pb板と酸化鉛PbO2を希H2SO4水溶液に浸けて作られる電池」のことだ。

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この電池の仕組みについて、正極と負極に分けて説明していこう。

負極

「電池のキソ」でやったように、先に溶け出して、自身がイオンとなり、電子(e)を放出する金属板を負極という。

今回登場する2つの金属板PbとPbO2では、どちらが先に溶け出すのか考えてみよう。

PbとPbO2は、溶解するとそれぞれPb2+とPb4+になる。

Pb2+とPb4+は同じ「鉛」がイオンとなったものではあるが、その「安定性」に少し差がある。

Pb2+とPb4+の安定性を比べると、「Pb2+の方がより安定」なんだ。
従って、(イオンがより安定な方が当然溶け易いので)鉛蓄電池で先に溶け出す極板、つまり負極は、「Pb板」ということになる。

ここからは、次の3STEPに従って負極での反応の流れを説明していこう。

【STEP1】

「Pb板が溶ける」

よりイオン化傾向の小さいPb板が溶け出す。

反応式は次の通り。

Pb → Pb2+ + 2e

【STEP2】

「eが銅線を伝わってPbO2板の方へ移動」

STEP1でPb板が溶け出すことによって発生したeが、2つの金属板をつないでいる銅線を伝わって正極であるPbO2板の方へと移動する。

【STEP3】

「発生したPb2+は溶液中のSO42ーとくっつく」

STEP1で発生したPb2+は、希H2SO4水溶液中の硫酸イオンSO42ーとくっつき「PbSO4」が生成する。

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正極

「電池のキソ」でやったように、負極から流れてきたeを受け取る金属板のことを正極という。

鉛蓄電池における正極の反応について、次の2STEPに従って説明していこう。

【STEP1】

「負極から流れてきたeをPbO2を構成しているPb4+が受け取る」

Pb板から流れてきたeがPbO2板まで到達すると、PbO2板を構成しているPb4+がこれを受け取る。

eを受け取ったPb4+はPb2+となる。

【STEP2】

「Pb2+は溶液中のSO42ーとくっつく」

STEP1でできたPb2+が、希H2SO4水溶液中の硫酸イオンSO42ーとくっつき「PbSO4」が生成する。

各極の反応

負極・正極での反応をまとめておこう。

負極での反応

上で説明したように、負極ではPb板が溶けてPb2+が発生する。

Pb → Pb2+ + 2e

Pb2+は溶液中のSO42ーと反応するので、両辺にSO42ーを足すと…

Pb + SO42ー → PbSO4 + 2e

これが、鉛蓄電池の負極の反応式だ。

正極での反応

正極では、PbO2板が、負極から流れてきたeを受け取る。

PbO2 + 4H + 2e → Pb2+ + 2H2O

負極同様、Pb2+は溶液中のSO42ーと反応するので、両辺にSO42ーを足すと…

PbO2 + 4H + SO42ー + 2e → PbSO4 + 2H2O

これが、鉛蓄電池の正極の反応式だ。

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全体の反応


最後に、負極・正極の反応式を使って「鉛蓄電池全体の反応式」を作ってみよう。

鉛蓄電池は二次電池

電子を負極から正極に流して電流を発生させることを「放電」、それとは逆向きに電子を流すことを「充電」という。

また、充電を行って繰り返し使用できる電池のことを「2次電池」、一回しか使うことができない電池ことを「1次電池」という。

今回説明している鉛蓄電池は「2次電池」だ。
つまり、充電可能なわけだね。

鉛蓄電池の計算問題

鉛蓄電池に関する計算問題は入試でもよく出題される。
基本的にワンパターンなので解き方を覚えてしまおう。

問題を解く前に、”前準備”として鉛蓄電池の「負極・正極における質量の変化」について説明しておく。

鉛蓄電池の負極・正極での反応式を見ると、負極では「SO4分」、正極では「SO2分」の質量が増加していることが分かる。
従って、(どちらの式もeの係数が2なので)電子2molあたり、負極では96g、正極では64g、質量が増加するんだ。

このことを踏まえて、以下の例題を解いてみよう。

例題


電解液は30%の希H2SO4200ml(密度:1.25g/ml)とする。
この電池を20秒間放電したところ、平均して2.0Aの電流が流れた。

このとき、最初と比べて放電後のPbO2の質量は何g増加したか。(ファラデー定数はF=9.65×104[C/mol]とする。)

まずは、電子eのmolを求めよう。

前準備として説明したように、反応の前後で正極の質量を比較すると…

となっている。
これは、電子が2molのときの話なので、今回の数値で求めていく。

比を用いてxを求めると…

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