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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

2015/7/7 2019/12/26 電池と電気分解

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｜電池の考え方と電流の正体】
【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】←今の記事
【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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鉛蓄電池の仕組み

鉛蓄電池なまりちくでんちは希硫酸 $\ce{H2SO4}$ に鉛Pbと二酸化鉛 $\ce{PbO2}$ を浸け，導線でつなげば完成です．

ここで，鉛Pbと二酸化鉛 $\ce{PbO2}$ 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Pbと二酸化鉛 $\ce{PbO2}$ 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Pbと二酸化鉛 $\ce{PbO2}$ を比べると，酸化されていない鉛Pbの方が酸化しやすそうです．

このことから，鉛Pbは酸化され，

$\begin{align*} \ce{Pb + SO4^2- -> PbSO4 + 2e-} \end{align*}$

の半反応式が起こります．一方の酸化鉛 $\ce{PbO2}$ は還元され，

$\begin{align*} \ce{PbO2 + 4H+ + SO4^2- + 2e- -> PbSO4 + 2H2O} \end{align*}$

の半反応式が起こります．

このように，電子は鉛Pb電極から二酸化鉛 $\ce{PbO2}$ 電極へ移動するので，

鉛Pbが負極
二酸化鉛 $\ce{PbO2}$ 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．

$\begin{align*} \textcircled{-} \ \ce{Pb}\ |\ \ce{HSO4}aq\ |\ \ce{PbO2}\ \textcircled{+} \end{align*}$

また，このとき両電極に硫酸鉛 $\ce{PbSO4}$ 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 $\ce{PbO2}$ より鉛Pbの方が酸化しやすい(=電子 $\ce{e-}$ を放出しやすい)ので，二酸化 $\ce{PbO2}$ が正極，鉛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 $\ce{PbSO4}$ 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，

$\begin{align*} \ce{Pb + SO4^2- -> PbSO4 + 2e-} \end{align*}$

と

$\begin{align*} \ce{PbO2 + 4H+ + SO4^2- + 2e- -> PbSO4 + 2H2O} \end{align*}$

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

$\begin{align*} \begin{matrix} &\ce{PbO2 + 4H+ + SO4^2- + 2e-}& \to & \ce{PbSO4 + 2H2O}\\ +)& \ce{Pb + SO4^2-}& \to & \ce{PbSO4 + 2e-}\\ \hline &\ce{PbO2 + Pb + 4H+ + 2SO4^2-}& \to & \ce{2PbSO4 + 2H2O} \end{matrix} \end{align*}$

がとなります．

2個の水素イオン $\ce{H+}$ と1個の硫酸イオン $\ce{SO4^2-}$ で硫酸 $\ce{H2SO4}$ とできるので，

$\begin{align*} \ce{PbO2 + Pb + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O} \end{align*}$

が放電の化学反応式です．

鉛蓄電池の充電

鉛蓄電池の特徴としては，充電ができることが挙げられます．

近年，充電式乾電池を良く見かけるようになりましたが，それでも日常的に目にするほとんどの乾電池は充電はできませんね．

このように

充電できない電池を一次電池
充電できる電池を二次電池や蓄電池

といいます．

鉛蓄電池は充電ができるので二次電池ですね．

一方，ボルタ電池やダニエル電池は充電ができないので一次電池ですね．

さて，充電の方法は簡単で，ある程度放電した(使用した)鉛蓄電池を放電とは逆向きに電流が流れるように，「別の電源(電池)」をつなぐだけでOKです．

これにより，負極表面の硫酸鉛 $\ce{PbSO4}$ が鉛Pbに戻り，正極表面の硫酸鉛 $\ce{PbSO4}$ が酸化鉛 $\ce{PbO2}$ に戻ります．

充電の化学反応式は放電と全く逆で，

$\begin{align*} \ce{2PbSO4 + 2H2O -> PbO2 + Pb + 2H2SO4} \end{align*}$

となります．

鉛蓄電池の放電と充電は互いに逆の反応である．

鉛蓄電池の電極の色

鉛蓄電池は電極の色が問われることも多いです．

負極：鉛Pbは灰色
正極：酸化鉛 $\ce{PbO2}$ は褐色
硫酸鉛 $\ce{PbSO4}$ は白色

です．

放電すればするほど，正極も負極も硫酸鉛 $\ce{PbSO4}$ に覆われていくので，どんどん白色になります．

逆に，放電した鉛蓄電池を充電すると，電極の硫酸鉛 $\ce{PbSO4}$ が溶け出して，正極は本来の鉛Pbの灰色，負極は酸化鉛 $\ce{PbO2}$ の褐色に戻ります．

【次の記事：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】

この記事までで，「電池」について学んできましたが，化学の電気的な反応として他に「電気分解」があります．電池と電気分解を学ぶと，どちらがどうなのか混同してしまいがちなので，次の記事でしっかり整理してください．