【前回の記事】電池の仕組み②ダニエル電池
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ボルタ電池・ダニエル電池は使い切りの一次電池でした。今回学ぶ鉛蓄電池は充電して繰り返し使える二次電池の代表です。自動車のバッテリーにも使われている鉛蓄電池の放電・充電の仕組みを完全理解しましょう！
- 一次電池と二次電池の違い
- 鉛蓄電池の構造（負極・正極・電解液）
- 放電時の各極の反応式
- 充電時の各極の反応式（放電と逆反応）
- 放電・充電で起こる変化（硫酸の濃度変化など）
| 一次電池 | 二次電池 | |
|---|---|---|
| 定義 | 使い切り（充電不可） | 充電して繰り返し使用可能 |
| 例 | ボルタ電池・ダニエル電池・マンガン乾電池 | 鉛蓄電池・リチウムイオン電池・ニッケル水素電池 |
| 充電 | できない | できる（外部電源で逆反応を起こす） |
▲ 鉛蓄電池の実用例：自動車のバッテリー（12V）
鉛蓄電池は1859年にフランスのプランテが発明した二次電池で、現在も自動車のバッテリーとして広く使われています。
材料：鉛（Pb）
放電時：Pbが酸化されPbSO₄に
Pb → PbSO₄
充電時：PbSO₄がPbに戻る
希硫酸
（H₂SO₄）
材料：酸化鉛（PbO₂）
放電時：PbO₂が還元されPbSO₄に
PbO₂ → PbSO₄
充電時：PbSO₄がPbO₂に戻る
- 負極：Pb（鉛）
- 正極：PbO₂（酸化鉛(IV)）
- 電解液：希硫酸（H₂SO₄）
- 放電・充電ともに両極にPbSO₄（硫酸鉛）が関与する
▲ 鉛蓄電池の放電（左：Pb負極、右：PbO₂正極、希硫酸）
PbがSO₄²⁻と反応してPbSO₄になり、2個のe⁻を放出します。
PbO₂がH⁺・SO₄²⁻・e⁻と反応してPbSO₄と水になります。
放電によってH₂SO₄が消費されH₂Oが生成されるため、電解液（希硫酸）の濃度が低下します。
充電とは、外部電源から電気を流して放電の逆反応を起こす操作です。充電時は電極の役割が逆になります。
充電時は外部電源の＋極を正極（PbO₂）側、−極を負極（Pb）側につなぎます。
充電時の酸化・還元は放電時と逆になります。
▲ 鉛蓄電池の充電（外部電源から電気を流し放電の逆反応を起こす）
PbSO₄がe⁻を受け取ってPbに戻ります。
PbSO₄がH₂Oと反応してPbO₂に戻ります。
充電によってH₂Oが消費されH₂SO₄が生成されるため、電解液（希硫酸）の濃度が上昇します。
| 放電（電気を使う） | 充電（電気を蓄える） | |
|---|---|---|
| 負極（Pb側） | Pb → PbSO₄（酸化） | PbSO₄ → Pb（還元） |
| 正極（PbO₂側） | PbO₂ → PbSO₄（還元） | PbSO₄ → PbO₂（酸化） |
| H₂SO₄の濃度 | 低下（H₂SO₄消費） | 上昇（H₂SO₄生成） |
| H₂Oの量 | 増加（H₂O生成） | 減少（H₂O消費） |
| PbSO₄ | 両極に生成 | 両極から消費 |
- 電解液の密度を測ることで充電残量を確認できる
- 放電が進む → H₂SO₄が減る → 電解液の密度が低下
- 充電が進む → H₂SO₄が増える → 電解液の密度が上昇
- 自動車バッテリーの点検で「比重計」を使うのはこのため
鉛蓄電池ではPbの酸化数が変化します。入試で酸化数を問われることがあるので確認しましょう。
| 物質 | Pbの酸化数 | 備考 |
|---|---|---|
| Pb | 0 | 単体 |
| PbSO₄ | +2 | SO₄²⁻なのでPb＝+2 |
| PbO₂ | +4 | O×2＝−4、総和0よりPb＝+4 |
負極：Pb（0） → PbSO₄（+2） 酸化数が増加＝酸化
正極：PbO₂（+4） → PbSO₄（+2） 酸化数が減少＝還元
- 鉛蓄電池は二次電池（充電して繰り返し使える）
- 負極：Pb、正極：PbO₂、電解液：希硫酸
- 放電の負極：Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻
- 放電の正極：PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O
- 放電の全体：Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O
- 充電は放電の逆反応。放電でH₂SO₄濃度低下、充電で上昇
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