Лабораторная работа №14 свинцовый аккумулятор

(Глинка Н.Л.,2000, 38.4, Коровин Н.В., 2000, §9.8)

Цель работы: изучение работы свинцового аккумулятора.

Рис.8. Свинцовый аккумулятор: широкогорлая склянка; пробка; свинцовые пластины; отверстие для выхода газа; электрический провод; фильтровальная бумага.

Теоретические сведения.

Устройства, в которых электрическая энергия превращается в химическую, а химическая – снова в электрическую, называют аккумуляторами.

Готовый к употреблению свинцовый аккумуля­тор состоит из решетчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие — металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в 30%-ный раствор Н₂SО₄ при этой концентрации удельная электрическая проводимость раствора серной кислоты максимальна.

В аккумуляторе под действием внешнего источника тока накапливается (аккумулируется) химическая энергия, которая потом переходит в электрическую. Процесс накопления химической энергии называется зарядом аккумулятора, а процесс превращения химической энергии в электрическую – разрядом аккумулятора. При заряде аккумулятор работает как электролизер, а при разряде – как гальванический элемент.

Схема свинцового аккумулятора до зарядки:

Pb, PbO₂, PbSO₄ │H₂SO₄ │ PbSO₄, PbO₂, Pb

Для зарядки (или заряда) аккумулятор подключают к внешнему источнику тока (плюсом к плюсу и минусом к минусу).

Зарядка

(-) Катод: Pb²⁺ +2ē = Pb

PbSO₄ + 2ē = Pb +SO₄^2-

(+) Анод: Pb²⁺ - 2ē = Pb⁴⁺

PbSO₄ + 2Н₂О - 2ē = РbO₂ + 4Н⁺ + SO₄^2-

2PbSO₄ + 2Н₂O = Рb + РbO₂ + 2Н₂SO₄

Электролит свинцового аккумулятора представляет собой раствор серной ки­слоты, содержащий сравнительно малое количество ионов Рb²⁺. 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. На электроде из РbO₂ при зарядке идет процесс окисления

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

Заряженный аккумулятор представляет собой гальванический элемент:

(-) Анод: Pb │ H₂SO₄ │ PbO₂ : Катод (+)

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

Разрядка:

(+) Катод: Pb⁴⁺ + 2ē = Pb²⁺

PbO₂ + SO₄ ^2- + 4H⁺ + 2ē = PbSO₄ + 2Н₂O

(-) Анод: Pb -2ē = Pb²⁺

Pb + SO₄ ^2- -2ē = PbSO₄

_________________________________________________________

Рb + РbO₂ + 2Н₂SO₄= 2PbSO₄ + 2Н₂O

Электроны, отдаваемые атомами металлического свинца при окислении, при­нимаются атомами свинца РbО₂ 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 РbО₂ служит катодом и заряжен положительно.

Во внутренней цепи (в растворе H₂SO₄) при работе аккумулятора происходит перенос ионов. Ионы SO₄^2- движутся к аноду, а ионы Н⁺ — 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.