189. Свинцовый аккумулятор

Готовый к употреблению свинцовый аккумулятор состоит из решетчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие — металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в 35—40 % раствор H₂SO₄; при этой концентрации удельная электрическая проводимость раствора серной кислоты максимальна.

При работе аккумулятора — при его разряде — в нем протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металлический свинец окисляется

Pb + SO₄²⁻ = PbSO₄ + 2e⁻

а диоксид свинца восстанавливается:

PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ = PbSO₄ + 2H₂O

Электроны, отдаваемые атомами металлического свинца при окислении, принимаются атомами свинца PbO₂ при восстановлении; электроны передаются от одного электрода к другому по внешней цепи.

Таким образом, металлический свинец служит в свинцовом аккумуляторе анодом и заряжен отрицательно, а PbO₂ служит катодом и заряжен положительно.

Во внутренней цепи (в растворе H₂SO₄) при работе аккумулятора происходит перенос ионов. Ионы SO₄²⁻ движутся к аноду, а ионы H⁺ — к катоду. Направление этого движения обусловлено электрическим полем, возникающим в результате протекания электродных процессов: у анода расходуются анионы, а у катода — катионы. В итоге раствор остается электронейтральным.

Если сложить уравнения, отвечающие окислению свинца и восстановлению PbO₂, то получится суммарное уравнение реакции, протекающей в свинцовом аккумуляторе при его работе (разряде):

Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄²⁻ = 2PbSO₄ + 2H₂O

Э. д. с. заряженного свинцового аккумулятора равна приблизительно 2 В. По мере заряда или разряда (по мнению редакции сайта) аккумулятора материалы его катода (PbO₂) и анода (Pb) расходуются. Расходуется и серная кислота. При этом напряжение на зажимах аккумулятора падает. Когда оно становится меньше значения, допускаемого условиями эксплуатации, аккумулятор вновь заряжают.

Для зарядки (или заряда) аккумулятор подключают к внешнему источнику тока (плюсом к плюсу и минусом к минусу). При этом ток протекает через аккумулятор в направлении, обратном тому, в котором он проходил при разряде аккумулятора. В результате этого электрохимические процессы на электродах «обращаются». На свинцовом электроде теперь происходит процесс восстановления

PbSO₄ + 2e⁻ = Pb + SO₄²⁻

т. е. этот электрод становится катодом.

Электролит свинцового аккумулятора представляет собой раствор серной кислоты, содержащий сравнительно малое количество ионов Pb²⁺. Концентрация ионов водорода в этом растворе намного больше, чем концентрация ионов свинца. Кроме того, свинец в ряду напряжений стоит до водорода. Тем не менее при зарядке аккумулятора на катоде восстанавливается именно свинец, а не водород. Это происходит потому, что перенапряжение выделения водорода на свинце особенно велико (см. табл. 20 на стр. 295).

На электроде из PbO₂ при зарядке идет процесс окисления

PbSO₄ + 2H₂O = PbO₂ + 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻

следовательно, этот электрод является теперь анодом. Ионы в растворе движутся в направлениях, обратных тем, в которых они перемещались при работе аккумулятора.

Складывая два последние уравнения, получим уравнение реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:

2PbSO₄ + 2H₂O = Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄²⁻

Нетрудно заметить, что этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора: при зарядке аккумулятора в нем вновь получаются вещества, необходимые для его работы.