鉛蓄電池の仕組みはとてもシンプル！

ボルタ電池やダニエル電池は使い切りの電池であり，充電はできませんでした．

充電ができる電池として非常に重要な電池として，鉛蓄電池があります．

鉛蓄電池は車のバッテリーとして利用されるなど，現代社会ではなくてはならない非常に実用性の高い電池で，高校化学でも頻出です．

鉛蓄電池はこの汎用性の高さとは裏腹に，その仕組み自体はとてもシンプルです．

鉛蓄電池は敬遠されがちですが，覚えるべき少しのポイントさえフォローできれば，簡単に理解することができます．

一連の記事はこちら

【電池と電気分解１｜電池の仕組みと電流の正体】
【電池と電気分解２｜イオン化傾向と電池の考え方】
【電池と電気分解３｜ボルタ電池とダニエル電池】
【電池と電気分解４｜鉛蓄電池の仕組みと反応はとてもシンプル】←この記事
【電池と電気分解５｜電気分解の基本と，電池と電気分解の違い】
【電池と電気分解６｜陽極と陰極の反応４パターンを理解する】

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1 鉛蓄電池の仕組み
2 鉛蓄電池の放電と充電
- 2.1 鉛蓄電池の放電
- 2.2 鉛蓄電池の充電
3 鉛蓄電池の電極の色

鉛蓄電池の仕組み

鉛蓄電池なまりちくでんちは希硫酸 $\mathrm{H_2SO_4}$ に鉛 $\mathrm{Pb}$ と二酸化鉛 $\mathrm{PbO_2}$ を浸け，導線でつなげば完成です．

ここで，鉛 $\mathrm{Pb}$ と二酸化鉛 $\mathrm{PbO_2}$ のどちらが正極でどちらが負極になるのかということを考えます．

「電池」は「酸化還元反応を利用して電子を取り出す装置」でしたから，鉛 $\mathrm{Pb}$ と二酸化鉛 $\mathrm{PbO_2}$ のどちらかは酸化され，どちらかは還元されるはずです．

鉛 $\mathrm{Pb}$ と二酸化鉛 $\mathrm{PbO_2}$ を比べると，酸化されていない鉛 $\mathrm{Pb}$ の方が参加しやすそうです．

このことから，鉛 $\mathrm{Pb}$ は酸化され，

$\begin{align*} \mathrm{Pb + {SO_4}^{2-} \to PbSO_4 + 2e^-} \end{align*}$

の半反応式が起こります．一方の酸化鉛 $\mathrm{PbO_2}$ は還元され，

$\begin{align*} \mathrm{PbO_2 + 4H^+ + {SO_4}^{2-} + 2e^- \to PbSO_4 + 2H_2O} \end{align*}$

の半反応式が起こります．

このように，電子は $\mathrm{Pb}$ 電極から $\mathrm{PbO_2}$ 電極へ移動するので，

鉛 $\mathrm{Pb}$ が負極
二酸化鉛 $\mathrm{PbO_2}$ が正極

と分かります．

以上より，鉛蓄電池の電池式は以下の通りです．

$\begin{align*} \textcircled{-} \ \mathrm{Pb}\ |\ \mathrm{H_SO_4}aq\ |\ \mathrm{PbO_2}\ \textcircled{+} \end{align*}$

また，このとき両電極に硫酸鉛 $\mathrm{PbSO_4}$ が析出していることに注意してください．

なお，「電池式」については以下の記事を参照してください．

【前回の記事：電池と電気分解３｜ボルタ電池とダニエル電池】

正極，負極，溶液の3つを明示したものを電池式といいます．前回の記事では，ボルタ電池，ダニエル電池を例に電池式も説明しています．

放電すると，酸化鉛 $\mathrm{PbO_2}$ より鉛 $\mathrm{Pb}$ の方が酸化しやすい(=電子 $\mathrm{e^-}$ を放出しやすい)ので，二酸化 $\mathrm{PbO_2}$ が正極，鉛 $\mathrm{Pb}$ が負極である．

また，放電すると，正極でも負極でも白色の硫酸鉛 $\mathrm{PbSO_4}$ が生成する．

鉛蓄電池の放電と充電

鉛蓄電池の放電

鉛蓄電池を使うと，

$\begin{align*} \mathrm{Pb + {SO_4}^{2-} \to PbSO_4 + 2e^-} \end{align*}$

と

$\begin{align*} \mathrm{PbO_2 + 4H^+ + {SO_4}^{2-} + 2e^- \to PbSO_4 + 2H_2O} \end{align*}$

の半反応式が起こるのでした．これら2つの半反応式の辺々を加えて

$\begin{align*} \begin{matrix} &\mathrm{PbO_2 + 4H^{+} + {SO_4}^{2-} + 2e^-}& \to& \mathrm{PbSO_4 + 2H_2O}\\ +)& \mathrm{Pb + {SO_4}^{2-}}& \to& \mathrm{PbSO_4 + 2e^-}\\ \hline &\mathrm{PbO_2 + Pb + 4H^{+} + 2{SO_4}^{2-}}& \to& 2\mathrm{PbSO_4 + 2H_2O} \end{matrix} \end{align*}$