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【化学】鉛蓄電池の仕組み

鉛蓄電池とは?

放電して起電力の低下した電池に電流を流すと、放電とは逆の反応が起こります。これを充電と呼びます。充電できる電池では鉛蓄電池が有名です。

一次電池と二次電池

逆向きの電流を流して充電ができない電池を一次電池、充電が可能な電池を二次電池または蓄電池と呼びます。

なぜボルタ電池は充電できないの?

ボルタ電池では正極で発生した水素は空気中に逃げています。また、負極で発生したZn2+は錯イオンに変化しているため、逆反応を起こす物質が存在しません。そのため、電流を逆流させても逆反応を起こすことができません。

なぜダニエル電池は充電できないの?

ダニエル電池を充電しようとすると、次の反応が起こります。

負極:Zn2+ + 2e → Zn

正極:Cu → Cu2+ + 2e

負極ではZnSO4だけならば問題なく反応が進みますが、H2SO4が加えられているとH2が発生してしまいます(ZnSO4の濃度が高いと電離が起こりづらいため濃度を下げ、また電気が通りやすいようにH2SO4を加えます)。また、ZnSO4とCuSO4が素焼き板を通って混合してしまいます。そのため、ダニエル電池は完全な二次電池ではありません。

鉛蓄電池の仕組み

鉛蓄電池の放電

鉛蓄電池は次の電池式です。

⊖ Pb | H2SO4aq | PbO2

法伝寺、負極ではPbが酸化してPb2+になります。その後、SO42-と結合し、PbSO4となります。

Pb + SO42- → PbSO4 + 2e

正極ではPbO2(酸化剤)が電子を受け取って還元され、PbSO4になります。

PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e → PbSO4 + 2H2O

つまり、両極ともでPbSO4が発生します。また、正極では水が生成されるため、硫酸の濃度は徐々に低くなっていきます。

鉛蓄電池の充電

外部電源の⊖端子を負極に、⊕端子を正極に接続して電流を流すと逆反応が起こり、充電することができます。

PbSO4 + 2e → Pb + SO42-

PbSO4 + 2H2O → PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e

正極・負極での反応式をまとめると次のようになります。右側への反応が放電、左側への反応が充電となります。

Pb + PbO2 + 2H2SO4 ⇔ 2PbSO4 + 2H2O

鉛蓄電池の分極

両極でPbSO4が生じると、反応できる電極の面積が小さくなります。また、水が生じることで硫酸の濃度が薄まります。結果、分極します。しかし、PbSO4が不溶で電極に付着しているために、充電することが可能となっています。

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