Автомобильный аккумулятор: электрохимические процессы

• Электрохимическую систему [ Рb] [H₂S0₄+H₂0] [+РbO₂] свинцово кислотного аккумулятора конструктивно можно представить в виде двух электродных пластин ⁺Рb0₂ и ^—Рb, опущенных в банку с сернокислотным электролитом H₂S0₄ (рис.2).
• 
  
• Из химии хорошо известно, что если свинцовую пластину опустить в раствор серной кислоты, то на ее поверхности начнет протекать химическая реакция растворения. Отходными продуктами этой реакции станут сульфат свинца PbS0₄ и атомарный водород H:
  Pb + H₂S0₄ -> PbS0₄ + H⁺ (2)
• Аналогичная реакция растворения будет иметь место и па поверхности пластины, которая покрыта двуокисью свинца:
  Pb0₂ + H₂S0₄ -> PbSO₄ + Н₂0+О^2- (3)
• Здесь отходные продукты — все тот же сульфат свинца, вода и свободный кислород.
• Однако, химические уравнения (2) и (3) не содержат информации о промежуточных электрохимических процессах, которые приводят к появлению электрических потенциалов на электродных пластинах аккумулятора.
• Восполним этот пробел следующими замечаниями.
• Появление электрической разности потенциалов в любом химическом источнике тока связано с протеканием к нем окислительно-восстановительной реакции, при которой активное вещество отрицательного электрода отдает электроны, т.е. окисляется, а активное вещество положительного электрода принимает электроны и тем самым восстанавливается. Вещество, отдающее электроны, называется восстановителем электрохимической системы, а вещество, принимающее электроны — окислителем. При этом и окислитель, и восстановитель предварително растворяются электролитом.
  
  
• На положительной пластине (на окислителе): последовательность процесса растворения и появления электрического потенциала связана с восстановлением ионов свинца Рb⁴⁺ из двуокиси Рb0₂ свинца. Сначала серная кислота, взаимодействуя с дистиллированной водой, диссоциирует, т.е. распадается на положительные ионы H⁺ водорода и на отрицательные ноны HS0₄ серной кислоты:
  (H₂S0₄)H₂O -» (HS0₄^-+Н⁺ )Н₂0.
  При этом электролитическая диссоциация кислоты приводит к появлению свободных носителей зарядов в электролите:
  H₂S0₄ +Н₂0 = HS0₄^-+ЗН⁺ +2е^- + О^2-.
• Ионизированный раствор серной кислоты HS0₄ является активным растворителем металлов и их окислов. Поэтому на пластине [+РbO₂] частично растворяется двуокись свинца с образованием сульфата свинца и двух молекул химически активной воды:
  Рb0₂+( HS0₄ +3H +2e)=PbS0₄+2H₂0.
• Молекулы H₂O, только что вы шедшие из химической реакции, обладающие свойствами агрессивного растворителя, интенсивно взаимодействуют с двуокисью синица, в результате чего образуются четырехвалентные ионы Рb свинца и одновалентные ионы ОН^- гидроксилов:
  РbO₂ + 2Н₂O = Pb + 4OН^- .
  Тяжелые ионы свинца не покидают пластину РЬO₂ и заряжают ее положительно, а ионы ОН^- , оставаясь в растворе, заряжают граничную зону электролита отрицательно.
• Общее уравнение, описывающее электрохимические процессы и равновесие электрических зарядов на положительной пластине, имеет следующий вид:
  2РbO₂ + H₂S0₄+H₂0 + H₂O =2Рb0₂ + [HSO₄ +5Н+O^2-+2e^-] = [PbSO₄+Pb] + [40H^- +0^2-], (4)
  где [PbS0₄+Pb] — реагенты на пластине Рb0₂;
  [4OН^- +O²⁺]—реагенты электролитного раствора.
• Из уравнения (4) видно, что в процессе электролитического растворения пластина РbO₂ получаст положительный заряд, а раствор электролита относительно пластины Рb0₂ — отрицательный.
• Возникающая таким образом разность потенциалов, достигая определенных значений, прекращает растворение активной массы Рb0₂ так как при этом наступает нейтрализация сил электролитического растворении силами электростатического поля. Энергия химических pеакции растворения двуокиси свинца переходит в энергию электрического потенциала ф . Уравнение (4) наглядно проиллюстрировано рис.3
  
  который представляет собой топограмму граничной зоны у положительной пластины +Рb0₂ и отображает следующее:
• Электролит (H₂SO₄ + Н₂O) смачивает поверхность положительного электрода (блок а).
• Происходит диссоциация кислоты, и ионизированная серная кислота HS0₄ растворяет активную массу 2РbO₂. Свободный кислород О^2- пузырьками выделяется в электролит (блок б).
• При растворении активной массы образуются молекулы воды Н₂O и сульфат свинца PbSO₄. Сульфат оседает на поверхность пластины РbО₂, (блок в).
• Молекулы воды, только что вышедшие из реакции, активно растворяют двуокись свинца Рb0₂ на поверхности положительной пластины (блок г).
• При растворении из двуокиси РbO₂ свинца восстанавливается чистый свинец в виде четырехвалентных ионов Рb⁴⁺ , которые остаются па поверхности пластины РbO₂ и заряжают ее положительно; ноны ОН^- гидроксилытых групп образуют условную поверхность граничной зоны и тем самым заряжают электролит отрицательно (блок д).
• Возникшая разность, потенциалов (блок е) называется равновесным потенциалом положительного электрода или просто электродным потенциалом.
• 
  
• На отрицательной пластине (на восстановителе): имеет место электролитической растворение свинца, при котором губчатый свинец окисляется до четырехвалентного нона Рb⁴⁺. В растворении участвует серная кислота. Свинец расщепляется на положнтельные ионы Рb⁴⁺ , которые выпадают в раствор электролита и заряжают его положительно. Образовавшиеся свободные электропы остаются на поверхности свинцовых пластин, которые таким образом приобретают отрицательный заряд. Возникает разность потенциалов в граничной зоне у отрицательных пластин аккумулятора, которая называется равновесным потенциалом отрицательного электрода, или электродным потенциалом ф_. Когда потенциал ф _ уравновешивает силы растворения, электролитический процесс прекращается. Энергия химической реакции растворения губчатого свинца переходит в энергию электрического потенциала ф _.
• Общее уравнение химической реакции и электрического равновесия у отрицательных пластин имеет вид:
  2Pb+H₂S0₄->PbS0₄+2e^-+2H⁺+Рb+4e^->[РbS0₄+4е^-] + [Рb+Н₂)], (5)
  где [PbS0₄+4e^-] — реагенты на отрицательно заряженной пластине Рb;
  [Рb +H₂] - реагенты в положительно заряженном электролитном растворе.
• Уравнение (5) графически пояснено топограммой граничной зоны у отрицательной пластины —Рb (рис.4).
• 
  
• Так происходит первичное накопление положительных электрических зарядов на пластинах РbO₂ и отрицательных зарядов — на пластинах Рb после первичной заливки аккумулятора сернокислотным электролитом.
• Разность потенциалов между электродами — есть электродвижущая сила (ЭДС) аккумулятора. Она определяется как разность значений электродных потенциалов У противоположных пластин, которая для свинцово-кислотных аккумуляторов в обычных условиях в среднем равна 2,1 В. Так как число аккумуляторов в АКБ равно шести, ЭДС залитой сухозаряженной автомобильной батареи равна 12,6 В.
  

• Из сказанного ясно, что первично сформированная ЭДС аккумуляторной батареи не является следствием ее заряда от внешнего источника электричечкой энергии, а есть результат начальных электрохимических превращений в сухозаряженной АКБ при ее заливке электролитом.

• Спустя два-три часа после заливки батарея набирает 80...90 % номинальной емкости и готова к эксплуатации без подзарядки.
• Получается так: в аккумуляторе при заливке электролитом часть активных масс и серной кислоты расходуетсяся на первичное формирование разности потенциалов между электродами, и тем самым аккумулятор приводится в рабочее состояние. На что затрачивается часть от номинальной емкости аккумулятора (не более 5%), которая быстро восстанавливается в первом зарядном цикле.
• В необслуживаемых и монолитных АКБ заправка электролитом производится в заводских условиях, где после этого емкость батареи доводится до номинальной.
• 
  
  
  
  
  
  Если вам понравился
  наш сайт
  сообщите о нем
  своему другу:
  

  Нравится