Номер 4, страница 234 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 6. Окислительно-восстановительные процессы. Параграф 32. Химические источники тока - номер 4, страница 234.

Условие.

4. Охарактеризуйте конструкцию свинцового аккумулятора и принцип его работы.

Решение.

Решение 2.

Конструкция свинцового аккумулятора

Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой электрохимический источник тока многоразового действия. Его конструкция включает в себя следующие основные компоненты:

1. Электроды (пластины). Аккумулятор содержит два типа электродов: положительные и отрицательные. Они выполнены в виде решеток из свинцового сплава (часто с добавлением сурьмы, кальция или олова для повышения прочности и коррозионной стойкости), на которые нанесена активная масса.
- Положительный электрод: активная масса состоит из диоксида свинца ($PbO_2$), который в заряженном состоянии имеет темно-коричневый цвет.
- Отрицательный электрод: активная масса состоит из губчатого металлического свинца ($\text{Pb}$), имеющего серый цвет.

2. Электролит. Пространство между электродами заполнено электролитом, который представляет собой водный раствор серной кислоты ($H_2SO_4$). В полностью заряженном аккумуляторе массовая доля кислоты составляет 35-40%, а плотность раствора — около $1,27-1,29 \text{ г/см}^3$.

3. Сепараторы. Для предотвращения короткого замыкания между разноименными электродами устанавливаются сепараторы. Это пористые пластины из кислотостойкого диэлектрического материала (например, микропористого поливинилхлорида, полиэтилена или стекловолокна), которые должны хорошо пропускать ионы электролита.

4. Корпус. Все компоненты аккумулятора размещаются в прочном, кислотостойком корпусе, как правило, изготовленном из полипропилена. Корпус разделен на несколько отсеков, называемых «банками» или элементами.

5. Элементы («банки»). Каждый отдельный элемент представляет собой гальваническую ячейку, создающую напряжение около 2,1 В. В стандартном автомобильном 12-вольтовом аккумуляторе шесть таких элементов соединены последовательно.

6. Клеммы (полюсные выводы). Для подключения аккумулятора к внешней электрической цепи на крышке корпуса имеются две клеммы: положительная (+) и отрицательная (–).

Принцип работы свинцового аккумулятора

Принцип работы аккумулятора основан на обратимых электрохимических реакциях, протекающих на электродах при его разряде и заряде.

1. Разряд (отдача энергии)
При подключении к аккумулятору потребителя (например, стартера автомобиля) он работает как гальванический элемент, преобразуя химическую энергию в электрическую. Протекают следующие процессы:
- На отрицательном электроде (аноде): металлический свинец ($\text{Pb}$) окисляется, взаимодействуя с сульфат-ионами ($SO_4^{2-}$) из электролита, и превращается в нерастворимый сульфат свинца(II) ($PbSO_4$).
Уравнение реакции: $Pb + SO_4^{2-} \rightarrow PbSO_4 + 2e^-$
- На положительном электроде (катоде): диоксид свинца ($PbO_2$) восстанавливается, также образуя сульфат свинца(II) ($PbSO_4$).
Уравнение реакции: $PbO_2 + 4H^+ + SO_4^{2-} + 2e^- \rightarrow PbSO_4 + 2H_2O$
Суммарное уравнение реакции при разряде:
$Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow 2PbSO_4 + 2H_2O$
В ходе разряда активные вещества на обоих электродах превращаются в сульфат свинца. При этом расходуется серная кислота и образуется вода, что приводит к уменьшению плотности электролита и снижению напряжения на клеммах.

2. Заряд (накопление энергии)
Для восстановления работоспособности аккумулятор заряжают от внешнего источника постоянного тока (например, генератора автомобиля). Аккумулятор при этом работает как электролизер, преобразуя электрическую энергию в химическую. Реакции на электродах протекают в обратном направлении:
- На положительном электроде (теперь аноде): сульфат свинца ($PbSO_4$) окисляется, восстанавливаясь до диоксида свинца ($PbO_2$).
Уравнение реакции: $PbSO_4 + 2H_2O \rightarrow PbO_2 + SO_4^{2-} + 4H^+ + 2e^-$
- На отрицательном электроде (теперь катоде): сульфат свинца ($PbSO_4$) восстанавливается до металлического свинца ($\text{Pb}$).
Уравнение реакции: $PbSO_4 + 2e^- \rightarrow Pb + SO_4^{2-}$
Суммарное уравнение реакции при заряде:
$2PbSO_4 + 2H_2O \rightarrow Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4$
В процессе заряда сульфат свинца на пластинах превращается обратно в губчатый свинец и диоксид свинца. При этом расходуется вода и образуется серная кислота, в результате чего плотность электролита и напряжение аккумулятора возрастают до исходных значений.

Ответ: Конструкция свинцового аккумулятора включает решетчатые электроды из свинца (отрицательный) и диоксида свинца (положительный), погруженные в водный раствор серной кислоты (электролит) и разделенные пористыми сепараторами. Принцип работы основан на обратимой электрохимической реакции: при разряде активные материалы электродов взаимодействуют с серной кислотой, образуя сульфат свинца и воду, что генерирует электрический ток; при заряде под действием внешнего тока протекают обратные процессы, восстанавливая исходные вещества на электродах и концентрацию серной кислоты.