khimie.ru

Аккумуляторы (т. е. собиратели) служат для накопления электрической энергии. При «заряжении» электрическая энергия в результате обратимого электрохимического процесса превращается в химическую энергию: при «разряжении», используя тот же процесс, протекающий только в обратном направлении, вновь накапливается электрическая энергия.

Важнейшим аккумулятором является свинцовый аккумулятор. Он состоит в принципе из двух решетчатых свинцовых пластин, погруженных в серную кислоту удельного веса 1,15−1,20. Одна из пластин заполнена диоксидом свинца, другая − губчатым свинцом. Вместо двух часто применяют несколько пластин, которые располагают попеременно на довольно близком друг от друга расстоянии, причем пластины одного вида соединяют между собой. Если разные пластины соединить проволокой, то ток потечет от пластины с диоксидом свинца (коричневая) к свинцовой пластине (серая). Электрический ток возникает благодаря тенденции четырехвалентного положительного свинца в РbO₂ разряжаться, отдавая положительное электричество, т, е. принимая электроны.

PbO₂ + 4H⁺ + 2e^— → Pb + 2H₂O

Одновременно на отрицательной пластине металлический свинец переходит в раствор в виде положительно двухвалентного иона Рb = Рb²⁺ + 2e^—.

Образующиеся в обоих случаях ионы Рb²⁺ связываются с SO₄^2--ионами серной кислоты, давая нерастворимый сульфат свинца, который вследствие нерастворимости остается на месте исчезнувших PbO₂ и Рb. Следовательно, процессы на обоих электродах можно в общем передать уравнениями:

PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e^— = РbSO₄ + 2H₂O

Pb + SO₄^2- = РbSO₄ + 2e^—

Объединив оба уравнения, для всего химического процесса в целом получают:

РbO₂ + Рb + 2Н₂SO₄ = 2РbSO₄ + 2Н₂O

Поддерживаемая описанными процессами разность потенциалов между обоими пластинами составляет около 2 В. Если к электродам аккумулятора приложить внешнее напряжение, превышающее эту величину в обратном направлении, т. е. положительную пластину соединить с положительным полюсом внешнего источника тока, то процессы у электродов пойдут в обратном направлении. На пластине, соединенной с положительным полюсом внешнего источника тока, ионы Рb²⁺ cнова станут заряжаться до РЬ⁴⁺, которые тотчас взаимодействуют с водой:

Рb⁴⁺ + H₂O = РbO₂ + 4H⁺

На другой пластине в результате восстановления ионов Рb²⁺ вновь осаждается свинец.

При разряжении концентрация кислоты понижается, так как при этом образуется вода; при заряжении свинцового аккумулятора концентрация повышается, так как расходуется вода. Следовательно, состояние зарядки аккумулятора можно контролировать, определяя удельный вес кислоты. Если продолжать зарядку после того, как будет использован весь отложившийся па пластинах сульфат свинца и, следовательно, уже не будет больше ионов Рb²⁺, то на свинцовом электроде начнет выделяться водород, а на электроде с диоксидом свинца − кислород: аккумулятор «закипит». Так как для этого требуется приложить более высокое напряжение, там для разряжения, т. е. повышения заряда ионов Рb²⁺ (при нормальной концентрации последних), то к концу процесса зарядки напряжение на клеммах значительно возрастает. Во время разряжения напряжение быстро падает до 2 В и затем долго остается почти постоянным, причем это постоянство сохраняется тем больше, чем меньше сила разрядного тока. При большей силе разрядного тока пространство около положительной пластины обедняется кислотой, так как убыль кислоты не может быть достаточно быстро восполнена в результате ее диффузии. С этим связано падение напряжения при разряжении, так как стремление диоксида свинца к разряжению в сильнокислом растворе больше, чем в слабокислом.

Так как ввиду указанных причин в вследствие потребления электрической энергии на преодоление сопротивления кислоты (как при заряжении, так и при разряжении) зарядное напряжение бывает постоянно выше, чем разрядное, то потеря электрической энергии при накоплении энергии посредством аккумуляторов неизбежна. На практике эту потерю считают равной 20-25 %.