鉛蓄電池の受験テクニック!放電の反応式、モル比に着目!

池の問題で入試再頻出なのが、

この鉛蓄電池です。

 

ですが、

どうでしょうか?

結構難しいですよね。

 

量関係とかの問題が出ると、

もうお手上げになりますよね。

 

ですが、

鉛蓄電池はかなり出来過ぎ

電池です。

 

かなり高性能な電池なのです。

 

原理としても完璧な電池なのです。

 

だから、『変にいじくることが出来ない

のです。

 

つまり、

聞かれるところが決まっている!

のです。

 

入試問題風にアレンジすることが

ほとんど出来ない分野なのです!

 

そして、

出るところが決まっている

と言うことを知っている受験生が

ほとんど居ない』のです。

 

だから、この記事に巡り会った

あなたはチャンスです!

この記事ではその聞かれるところを

全て公開します

だからこの記事を読み終えたあなたが

入試で鉛蓄電池が出た瞬間

「よっしゃカモや!」と

ガッツポーズしてください!

うれしい

最初原理を説明し、

1番最後に受験テクニックを

公開しますので、最後まで

読み漏らさないようにしてください!

鉛蓄電池の原理

鉛の性質を利用

鉛

鉛には

酸化数が+2になりたくて仕方が無い

という性質がある!

 

 

これが非常に重要なんやで!

 

 

だから、単体のPb(酸化数0)

酸化物PbO2(酸化数+4)

こいつらも酸化数+2になりたいのです!

鉛蓄電池の酸化数直線

Pb単体とPbO2を電解質溶液として

希硫酸』中に離してつないだのが

鉛蓄電池と言えます!

 

電池の原理については、

「化学の『電池』入試問題の原理と解き方まとめ」

で書きました。

 

電池は、還元剤と酸化剤を

離す

つなぐ

電解質

でした。

 

 

結果的に電子がPbからPbO2へ移動し、

Pbが負極PbO2が正極となる。

鉛蓄電池

「化学の『電池』入試問題の原理と解き方まとめ」

にも書いたが、電池の極の定義は、

還元剤が負極、酸化剤が正極」と

覚える!

 

「イオン化傾向が大きいのが負極!」

みたいな理解では金属が使われない

電池の問題に対応できない!

極ごとのイオン反応式

負極の放電反応

Pbが電子を放出して、Pb^2+イオンになります。

しかし、生成したPb^2+イオンは希硫酸中で

SO4^2-イオンにより硫酸鉛になる。

鉛イオン

希硫酸由来のSO4^2-でPb^2+は

PbSO4となり沈殿する。

 

 

ということは、

鉛蓄電池 負極のイオン反応式

この可逆反応は右に進み続けます!

よって、限界まで電子を投げ続ける

 

負極のイオン反応式はこのようになります。

鉛蓄電池 負極のイオン反応式

 

正極の放電反応式

PbO2は電子を受け取り続ける

電子を受け取るから酸化剤として

働く!

 

鉛蓄電池の正極のイオン反応式

これが負極のイオン反応式です。

 

鉛蓄電池の蓄電の原理

まずそもそも蓄電池とは何でしょうか?

いったん放電すると、充電しても元の状態に

戻せないのを1次電池と言います!

 

市販の乾電池などはこれに当たります。

 

放電させた後、外部電源を用いて充電すると、

再利用できる2次電池のことを蓄電池

言います!

鉛蓄電池 原理

このように放電します!

鉛蓄電池 原理2

そしてここが鉛蓄電池の肝なんですが、

Pb、PbO2にひだがついているんです!

このひだにPbSO4の沈殿が落ちずに

くっつくのです!

鉛蓄電池 原理3

このようにPb^2+が希硫酸に出て行きますが、

それが一瞬でSO4^2-と沈殿になります。

鉛蓄電池 原理4

こういう状況になります。

これが放電のときで、

充電するときは、

先ほどの逆反応なので、

鉛蓄電池 充電

このようになります、

左辺を見ていただくと、PbSO4があります。

 

つまり、

 

PbSO4が沈殿して

容器の底に落ちてしまっては

充電できない

 

 

だから、『ひだ』が重要なのです!

 

受験テクニック「放電のモル比」

まず先ほど見せたイオン反応式から、

『化学反応式』をまとめてみましょう!

鉛蓄電池 反応式1

これが鉛蓄電池の反応式となります。

 

この反応式で最も着目すべき、

受験で問われる量関係を解く上で

最強のテクニックをお教えします!

 

鉛蓄電池 反応式2

まずこれを見てください、

PbからPbO2に電子が2モル渡されている

のが今までの説明からも分かると思います。

 

すると、

電子、硫酸、水のモル比が

2:2:2=1:1:1

となるのです!

 

試験に出るツボ

①電解質溶液の溶質で密度の大きいH2SO4が減少し、

溶媒であり密度が小さいH2Oが増加する。

 

つまり、

 

『電解質溶液である希硫酸の濃度密度減少する』

 

 

このとき

『放電する電子消滅するH2SO4生成するH2Oのモル比は、1:1:1

これは覚えろ!!!!!!!

 

 

②負極はPbからPbSO4へ変化することで、

SO4、正極はPbO2からPbSO4へ変化することで、

SO2増加するため、どちらも電極質量が増加する。

鉛蓄電池 反応式2

電子が2モル移動するたびに、

鉛蓄電池 負極のイオン反応式負極では、SO41モル分、つまり、96g

質量が増加、

 

 

鉛蓄電池の正極のイオン反応式

正極では、SO21モル分、つまり、64g

質量が増加する!

 

電子1mol放電すると

負極は

SO4が1/2mol分(=48g/mol(e-))

 

正極は

SO2が1/2mol分(=32g/mol(e-))

増加する!

 

 

極板の質量が増加すると言うことは、

溶液の質量が減少していると言うこと!

 

つまり、電子が1モル流れるたびに、

溶液からは、合計、

80g減少する!

 

これも覚えろ!!!!

 

実は問われるところなんてこれだけ、

これさえ分かっていれば本当に

鉛蓄電池なんて余裕なんです!

 

鉛蓄電池が出題されてガッツポーズ

してないやつにはこれで確実に勝てます!

 

ただ、これだけ言われて

問題が解ける人もかなり少ないと思います。

なので実際の問題では

どのように使うのか?

と言うのを見ていきたいと思います。

鉛蓄電池の問題演習

例題

鉛蓄電池を用いて白金板を電極にして硫酸銅水溶液を電気分解すると、陰極に5.08gの銅が析出した。鉛蓄電池には質量パーセント濃度が35%の硫酸1000gが使われたとすると、電解後、硫酸の質量%はいくらか。

この問題は、鉛蓄電池が電子が

流れることで、

溶質も溶液全体も質量が小さくなる

ことを理解できているか
を問う問題!

解答

電解槽の反応式は

電気分解の電解槽での反応式

電気分解の電解槽での反応式

鉛蓄電池の反応式は

鉛蓄電池の反応式

鉛蓄電池の反応式

つまり先ほど言ったように、

PbからPbO2に

$$2e^-$$

の電子が流れている。

流れた電気量は

鉛蓄電池電気量

鉛蓄電池電気量

鉛蓄電池での変化量の物質量(mol)比は、

鉛蓄電池の変化量の物質量比

鉛蓄電池の変化量の物質量比

であるから、

硫酸は-0.16mol

水は+0.16mol変化した。

 

そして、溶液の質量は、電子が1mol流れるたびに80g減少するのであった!

 

つまり、今回溶液全体の質量の減少は、

80×0.16=12.8gとなる。

 

また溶質の硫酸も電子が流れることで、減少する。

 

よって電解後の濃度は、

鉛蓄電池の前後での質量変化

鉛蓄電池の前後での質量変化

となる!

 

このように鉛蓄電池は優秀すぎるがゆえに、ここまでテクニック化する事が出来ます。なので是非ここまで覚えてください!

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12 件のコメント

  • 初めまして、突然のコメント失礼致します。こちらのページを拝見し、鉛蓄電池の反応を理解できました。わかりやすく説明してありとても参考になりました。ありがとうございます。
    試験に出るツボ の ②
    PbがPbO2に変化する というのは PbSO4の間違いでしょうか?
    当方の理解不足でしたら申し訳ありません。ご確認だけでもお願いできればと思います。
    鉛蓄電池以外にも、わからない化学の問題に出会った際にはぜひ参考にさせていただきたいと思います。突然失礼致しました。

    • ありがとうございます!

      PbからPbSO4でした。
      ご指摘ありがとうございます!


      これからもよろしくお願いします。

  • 付加重合の開始剤はなぜ少量出なければならないか,感動しました。π結合とラジカル反応
    の考え方でこんなに簡単に理解できるのですね。

    ヘキストワッカー法はじめてしりました。便利な方法ですね。PbCl2恐るべし。

    • コメントありがとうございます!

      そうなんですよ!ラジカルとかあの辺って別に全然高校生でも解るのに
      教わらないから逆に解りにくくなってるんですよね〜

  • 電池めっちゃ苦手です…教科書読んでてもさっぱりわかりませんし、問題も解けません(´;ω;`)
    例題含めてしっかり覚えます!

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