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！

はじめに

鉛蓄電池に関する問題は大学入試や定期テストで超頻出にも関わらず、苦手な高校生が多い。このページでは鉛蓄電池の仕組みから各極の反応式、鉛蓄電池が絡んだ計算問題の解き方などを１から丁寧に解説していく。ぜひこの機会に鉛蓄電池をマスターしてライバルと差をつけよう！

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^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。

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

イオン化傾向の大きいPb板が溶け出す。

STEP2

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

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

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

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。

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…

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。

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…

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

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。

（１）

負極

正極

（２）

まずは、電子e^–のmolを求めよう。

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…

（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。