Устройство и работа свинцового сернокислотного аккумулятора

Любая электрохимическая цепь в принципе может служить источником электрического тока. По разным причинам (малая электрическая емкость, малая скорость и необратимость химических реакций, физические изменения электродов при эксплуатации и т.д.) большая часть цепей не может быть практически использована для получения электрического тока, и лишь немногие имеют прикладное значение в качестве химических источников тока.

Химические источники тока делятся на источники тока одноразового действия (гальванические элементы) и многоразового действия (аккумуляторы). В аккумуляторах при пропускании через них тока от внешней цепи (заряжение) происходят химические изменения в электродах и растворах, близких к обратимым, и работа электрического тока аккумулируется (запасается) в форме свободной энергии продуктов реакции. Заряженный аккумулятор дает ток при разряжении, после чего вновь может быть заряжен. Наиболее широко используют кислотный свинцовый, щелочной кадмиево-никелевый и щелочной серебряно-цинковый аккумуляторы.

Кислотные свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди вторичных химических источников тока. Обладая сравнительно высокой удельной мощностью в сочетании с надежностью и относительно низкой стоимостью, эти аккумуляторы находят разнообразное практическое применение. 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, поскольку при этой концентрации удельная электрическая проводимость раствора серной кислоты максимальна.

Схема свинцового аккумулятора до зарядки

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

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

Зарядка:

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:

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.

Суммарная реакция в аккумуляторе

2PbSO4 + 2Н2O

Рb + РbO2 + 2Н2SO4