鉛蓄電池（仕組み・反応式・充電・計算問題の解き方など）

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『鉛蓄電池（仕組み・反応式・充電・計算問題の解き方など）』について解説しています。

鉛蓄電池とは

• 鉛Pbと酸化鉛(Ⅳ)PbO₂を希硫酸H₂SO₄に浸してできる電池を鉛蓄電池という。

• 鉛蓄電池の起電力は約2.1Vである。

鉛蓄電池の電池式

• 先述の通り、鉛蓄電池とは、鉛Pbと酸化鉛(Ⅳ)PbO₂を希硫酸H₂SO₄に浸してできる電池である。
• これを踏まえて、鉛蓄電池の電池式は次のように表すことができる。

\[ \mathrm{(-)Pb｜H_{2}SO_{4}aq｜PbO_{2}(+) }\]

鉛蓄電池の仕組み

• 鉛蓄電池の仕組みについて、正極と負極に分けて解説する。

負極

• 電池の仕組み（イオン化傾向との関わり・正極と負極・電子と電流の向き）でやったように、先に溶け出して自身がイオンとなり、電子e^ーを放出する金属板を負極という。
• 今回登場する2つの金属板PbとPbO₂では、どちらが先に溶け出すのか、つまり負極となるのかを考える。
• PbとPbO₂に含まれる鉛イオンは、それぞれPb^2＋とPb^4＋である。

• Pb^2＋とPb^4＋は同じ「鉛」がイオンとなったものではあるが、その「安定性」に少し差がある。

• Pb^2＋とPb^4＋の安定性を比べると、Pb^2＋の方がより安定である。
• したがって、（イオンがより安定な方が溶けてイオンになりやすいので）鉛蓄電池で先に溶け出す極板、つまり負極は「Pb板」ということになる。
• ここからは、次の3STEPにしたがって負極における反応の流れを解説する。

STEP

Pb板が溶ける（Pb → Pb^2＋ + 2e^ー）

まず、イオン化傾向の大きいPb板が溶け出す。

STEP

電子e^ーがPbO₂板の方へと移動する

STEP1でPb板が溶け出すことによって発生したe^ーが、正極であるPbO₂板の方へと移動する。

STEP

STEP1で発生したPb^2＋は溶液中のSO₄^2ーとくっつく
→ PbSO₄ができる

STEP1で発生したPb^2＋は、希H₂SO₄水溶液中の硫酸イオンSO₄^2ーとくっつき「PbSO₄」が生成する。

正極

• 電池の仕組み（イオン化傾向との関わり・正極と負極・電子と電流の向き）でやったように、負極から流れてきたe^ーを受け取る金属板を正極という。
• 鉛蓄電池における正極の反応について、次の2STEPにしたがって解説する。

STEP

負極から流れてきたe^ーをPbO₂板が受け取る
→ Pb^2＋ができる

Pb板から流れてきたe^ーがPbO₂板まで到達すると、PbO₂板を構成しているPb^4＋がこれを受け取る。

e^ーを受け取ったPb^4＋はPb^2＋となる。

STEP

STEP1で発生したPb^2＋は溶液中のSO₄^2ーとくっつく
→ PbSO₄ができる

STEP1で発生したPb^2＋が、希H₂SO₄水溶液中の硫酸イオンSO₄^2ーとくっつき「PbSO₄」が生成する。

各極の反応

• 鉛蓄電池の負極・正極での反応をそれぞれまとめる。

負極

• 鉛蓄電池の負極では、Pb板が溶けてPb^2＋が発生する。

\[ \mathrm{Pb → Pb^{2+} + 2e^{-}} \]

• Pb^2＋は溶液中のSO₄^2ーと反応するので、両辺にSO₄^2ーを足すと…

\[ \mathrm{Pb + SO_{4}^{2-} → PbSO_{4} + 2e^{-}} \]

• これが、鉛蓄電池の負極の反応式である。

正極

• 鉛蓄電池の正極では、PbO₂板が、負極から流れてきたe^ーを受け取る。

\[ \mathrm{PbO_{2} + 4H^{+} + 2e^{-} → Pb^{2+} + 2H_{2}O} \]

• 負極同様、Pb^2＋は溶液中のSO₄^2ーと反応するため、両辺にSO₄^2ーを足すと…

\[ \mathrm{PbO_{2} + 4H^{+} + SO_{4}^{2-} + 2e^{-} → PbSO_{4} + 2H_{2}O} \]

• これが、鉛蓄電池の正極の反応式である。

全体

• 最後に、負極・正極の反応式を使って、鉛蓄電池全体の反応式をつくる。

• 負極・正極の反応式と併せて覚えておこう。

鉛蓄電池は2次電池

• 電子を負極から正極に流して電流を発生させることを放電、それとは逆向きに電子を流すことを充電という。
• また、充電を行って繰り返し使用できる電池を二次電池、1回しか使うことができない電池を一次電池という。
• 鉛蓄電池は「二次電池」なので充電可能である。