鉛蓄電池を攻略！仕組み・原理から各極の反応式、計算問題の解き方まで！

【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。

鉛蓄電池の仕組み

鉛蓄電池とは鉛Pb板と酸化鉛PbO₂を希H₂SO₄に浸けて作られる電池のことである。

この電池の仕組みについて、正極と負極に分けて説明していこう。

負極

電池の仕組みを解説！〜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てみよう。

PbとPbO₂は、溶解するとそれぞれPb^2＋とPb^4＋になる。

Pb→Pb²⁺
PbO₂→Pb⁴⁺

Point!

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。

【安定性】Pb²⁺＞Pb⁴⁺

Point!

Pb^2＋とPb^4＋の安定性を比べると、Pb^2＋の方がより安定になっている。
従って、（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こう。

STEP1	Pb板が溶ける（Pb → Pb²⁺ + 2e^–）
STEP2	電子（e^–）が銅線を伝わってPbO₂板の方へと移動する
STEP3	STEP1で発生したPb²⁺は溶液中のSO₄^2-とくっつく　→　PbSO₄ができる

Point!

STEP1

Pb板が溶ける

イオン化傾向の大きいPb板が溶け出す。

STEP2

e^ーが銅線を伝わってPbO₂板の方へ移動

STEP1でPb板が溶け出すことによって発生したe^ーが、２つの金属板を繋いでいる銅線を伝わって正極であるPbO₂板の方へと移動する。

STEP3

発生したPb^2＋は溶液中のSO₄^2ーとくっつく

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

電池の仕組みを解説！〜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のことを正極という。

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こう。

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SO₄^2-とくっつく → PbSO₄ができる

Point!

STEP1

負極から流れてきたe^ーをPbO₂を構成しているPb^4＋が受け取る

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。

STEP2

Pb^2＋は溶液中のSO₄^2ーとくっつく

STEP1でできた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

負極・正極での反応をまとめておこう。

負極での反応

上で説明したように、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。

正極での反応

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ーと反応するので、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」を作ってみよう。

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のことを「２次電池」、一回しか使うことができない電池ことを「1次電池」という。

今回説明している鉛蓄電池は「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」について説明しておく。

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。
従って、（どちらの式もe^ーの係数が2なので）電子2molあたり、負極では96g、正極では64g、質量が増加するんだ。

このことを踏まえて、以下の例題を解いてみよう。

問題

電解液は30%の希H₂SO₄200ml（密度：1.25g/ml）とする。
この電池を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。

（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。（ファラデー定数はF=9.65×10⁴[C/mol]とする。）
（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を求めよう。

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

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…

\[
2:64=4.15×10^{-4}:x\\
\leftrightarrow x=1.33×10^{-2}(g)
\]

（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。

鉛蓄電池を攻略！仕組み・原理から各極の反応式、計算問題の解き方まで！

鉛蓄電池の仕組み

負極

STEP1

STEP2

STEP3

正極

STEP1

STEP2

各極の反応

負極での反応

正極での反応

全体の反応

鉛蓄電池は二次電池

鉛蓄電池の計算問題

（１）

負極

正極

（２）

（３）

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