【プロ講師解説】このページでは『鉛蓄電池(仕組み・原理から各極の反応式、計算問題の解き方など)』について解説しています。解説は高校化学・化学基礎を扱うウェブメディア『化学のグルメ』を通じて6年間大学受験に携わるプロの化学講師が執筆します。

鉛蓄電池とは

鉛蓄電池とは、鉛Pbと酸化鉛(Ⅳ)PbO2を希硫酸H2SO4に浸した電池である。

鉛蓄電池の起電力は約2.1V。

鉛蓄電池の電池式

上述の通り、鉛蓄電池とは、鉛Pbと酸化鉛(Ⅳ)PbO2を希硫酸H2SO4に浸した電池である。

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。

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

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説明していく。

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てみよう。

PbとPbO2に含まれる鉛イオンは、それぞれPb2+とPb4+である。

Pb→Pb2+
PbO2→Pb4+
Point!

Pb2+とPb4+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。

【安定性】Pb2+>Pb4+
Point!

Pb2+とPb4+の安定性を比べると、Pb2+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。

最初に溶けるのは、Pb板
Point!

ここからは、次の3STEPに従って負極における反応の流れを説明していく。

STEP1 Pb板が溶ける(Pb → Pb2+ + 2e
STEP2 電子eがPbO2板の方へと移動する
STEP3 STEP1で発生したPb2+は溶液中のSO42-とくっつく → PbSO4ができる
Point!

STEP1

Pb板が溶ける(Pb → Pb2+ + 2e

まず、イオン化傾向の大きいPb板が溶け出す。

STEP2

電子e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が、正極であるPbO2板の方へと移動する。

STEP3

STEP1で発生したPb2+は溶液中のSO42-とくっついて、PbSO4ができる

STEP1で発生したPb2+は、希H2SO4水溶液中の硫酸イオンSO42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に従って説明していく。

STEP1 負極から流れてきたeをPbO2板が受け取る
→ Pb2+ができる
STEP2 STEP1で発生したPb2+は溶液中のSO42-とくっつく
→ PbSO4ができる
Point!

STEP1

負極から流れてきたeをPbO2板が受け取り、Pb2+ができる

Pb板から流れてきたeがPbO2板まで到達すると、PbO2板を構成しているPb4+がこれを受け取る。

eを受け取ったPb4+はPb2+となる。

STEP2

STEP1で発生したPb2+は溶液中のSO42-とくっつき、PbSO4ができる

STEP1でできたPb2+が、希H2SO4水溶液中の硫酸イオンSO42-とくっつき「PbSO4」が生成する。

各極の反応

鉛蓄電池の負極・正極での反応をまとめておこう。

負極での反応

鉛蓄電池の負極では、Pb板が溶けてPb2+が発生する。

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

Pb2+は溶液中のSO42-と反応するので、両辺にSO42-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。

正極での反応

鉛蓄電池の正極では、PbO2板が、負極から流れてきたeを受け取る。

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

負極同様、Pb2+は溶液中のSO42-と反応するので、両辺にSO42-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。

全体の反応

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作る。

負極・正極の反応式と合わせて覚えておくようにしよう。

鉛蓄電池は二次電池

鉛蓄電池=充電可能
Point!

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2次電池、一回しか使うことができない電池を1次電池という。

鉛蓄電池は「2次電池」なので充電可能である。

鉛蓄電池の計算問題

鉛蓄電池に関する計算問題は入試でもよく出題される。基本的にワンパターンなので解き方を覚えてしまおう。

問題を解く前に、”前準備”として鉛蓄電池の「負極・正極における質量の変化」について確認しておく。

鉛蓄電池の負極・正極での反応式を見ると、負極では「SO4分」、正極では「SO2分」の質量が増加していることが分かる。
したがって、(どちらの式もeの係数が2なので)電子2molあたり、負極では96g、正極では64g、質量が増加する。

このことを踏まえて、以下の例題を解いてみよう。

問題

鉛蓄電池を20秒間放電したところ、平均して2.0Aの電流が流れた。以下の問いに答えなさい。ただし、電解液は30%の希H2SO4200ml(密度:1.25g/ml)とする。

(1)両極での反応を、eを含むイオン反応式で書け。
(2)最初と比べて、放電後のPbO2の質量は何g増加したか。(有効数字2桁で解答、ファラデー定数F=9.65×104(C/mol))
(3)この鉛蓄電池を充電する場合、外部電源の負極はPbとPbO2のどちらにつなげば良いか。

(1)

負極

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

正極

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

(2)

まずは、電子eのmolを求める。

\[
\mathrm{ \begin{align}
e^{-}(mol)&=\frac{ [2.0(A)×20(秒)](C) }{ 9.65×10^{4}(C/mol) }\\
&≒4.15×10^{-4}
\end{align} }
\]

前準備として説明したように、反応の前後で正極の質量を比較すると…

となっている。
これは、電子が2molのときの話なので、今回の数値で求めていく。

比を用いてxを求めると…

\[
2:64=4.15×10^{-4}:x\\
\leftrightarrow x≒1.3×10^{-2}(g)
\]

(3)

充電するときは、外部電源の負極は電池の負極に、正極は正極につなぐ。

鉛蓄電池に関する演習問題

問1

【】に当てはまる用語を答えよ。

鉛蓄電池では、負極に【1】板、正極に【2】板、電解質に【3】水溶液を用いる。
両極板をつなぎ放電をすると、負極では【1】の【4(酸化or還元)】反応が、正極では【2】の【5(酸化or還元)】反応が起こる。
【問1】解答/解説:タップで表示
解答:【1】鉛Pb【2】酸化鉛PbO2【3】希硫酸H2SO4【4】酸化【5】還元

鉛蓄電池とは、鉛Pbと酸化鉛(Ⅳ)PbO2を希硫酸H2SO4に浸した電池である。

負極ではPbが電子eを失っているので酸化反応、正極ではPbO2がeを受け取っているので還元反応が起きている。

※酸化反応・還元反応について詳しくは酸化・還元の定義〜水素・酸素・電子の3パターン〜を参照

問2

【】に当てはまる用語を答えよ。

鉛蓄電池の放電時には、負極では【1】が酸化されて【2】が生じ、正極では【3】が還元されて【2】が生じる。
【2】は電解質中の【4】とくっついて【5】を生成するため、鉛蓄電池は放電が進行すると両極に【5】が析出して電極が覆われる。
電解質中の【4】は減少していくため電池の起電力は徐々に【6(増加or低下)】する。
【問2】解答/解説:タップで表示
解答:【1】鉛Pb【2】Pb2+【3】酸化鉛PbO2【4】SO42-【5】PbSO4【6】低下

問3

鉛蓄電池の正極・負極・全体における反応式を書け。
【問3】解答/解説:タップで表示
解答:【負極】Pb + SO42- → PbSO4 + 2e【正極】PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e → PbSO4 + 2H2O【全体】Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O

鉛蓄電池の負極・正極・全体における反応式は次の通り。

負極での反応
鉛蓄電池の負極では、Pb板が溶けてPb2+が発生する。

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

Pb2+は溶液中のSO42-と反応するので、両辺にSO42-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。

正極での反応
鉛蓄電池の正極では、PbO2板が、負極から流れてきたeを受け取る。

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

負極同様、Pb2+は溶液中のSO42-と反応するので、両辺にSO42-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。

全体の反応
鉛蓄電池全体の反応式は、負極・正極の反応式を元に作ることができる。

問4

【】に当てはまる用語を答えよ。

鉛蓄電池は、放電時と逆向きに電流を流して【1】を行うことで起電力が回復し再利用できる。
このような【1】可能な電池のことを【2】電池という。
【問4】解答/解説:タップで表示
解答:【1】充電【2】二次

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2次電池、一回しか使うことができない電池を1次電池という。

鉛蓄電池は「2次電池」なので充電可能である。

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著者プロフィール

・化学のグルメ運営代表
・高校化学講師
・薬剤師
・デザイナー/イラストレーター

数百名の個別指導経験あり(過去生徒合格実績:東京大・京都大・東工大・東北大・筑波大・千葉大・早稲田大・慶應義塾大・東京理科大・上智大・明治大など)
2014年よりwebメディア『化学のグルメ』を運営
公式オンラインストアで販売中の理論化学ドリルシリーズ・有機化学ドリル等を執筆

著者紹介詳細