باتری سربی خودرو چگونه کار می‌کند؟ واکنش‌های شارژ و دشارژ

هر خانه باتری دو صفحه متفاوت و یک الکترولیت دارد

در یک خانه سربی، صفحه منفی در حالت شارژ از سرب فلزی Pb و صفحه مثبت از سرب(IV) اکسید PbO₂ ساخته شده است. هر دو صفحه با محلول سولفوریک اسید H₂SO₄ در تماس‌اند. جداکننده‌ای متخلخل مانع تماس مستقیم صفحه‌ها و اتصال کوتاه می‌شود، اما عبور یون‌ها را ممکن می‌کند.

هر خانه سربی در شرایط معمول نزدیک ۲ ولت اختلاف پتانسیل ایجاد می‌کند. در باتری رایج ۱۲ ولتی خودرو، شش خانه به صورت سری متصل‌اند؛ در اتصال سری، ولتاژ خانه‌ها با هم جمع می‌شود. عدد ۱۲ ولت نامی است و ولتاژ واقعی باتری با وضعیت شارژ و شرایط کار تغییر می‌کند.

• صفحه منفی: سرب فلزی Pb
• صفحه مثبت: سرب(IV) اکسید PbO₂
• الکترولیت: محلول سولفوریک اسید
• شش خانه سری، ولتاژی نزدیک ۱۲ ولت می‌سازند

هنگام دشارژ، صفحه سربی آند و محل اکسایش است

وقتی باتری به مصرف‌کننده متصل می‌شود، اتم‌های سرب در صفحه منفی الکترون از دست می‌دهند. یون‌های سولفات موجود در الکترولیت با یون سرب(II) حاصل ترکیب می‌شوند و لایه PbSO₄ روی صفحه شکل می‌گیرد. نیم‌واکنش آند را می‌توان چنین نوشت: Pb(s) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s) + 2e⁻.

الکترون‌های آزادشده از پایانه منفی وارد مدار خارجی می‌شوند، از مصرف‌کننده عبور می‌کنند و به پایانه مثبت می‌رسند. پس در دشارژ خودبه‌خودی، صفحه سربی آند و منفی است. نام آند همیشه از رخ‌دادن اکسایش می‌آید؛ علامت منفی آن نتیجه نوع سلول در حالت دشارژ است.

• اکسایش همیشه در آند رخ می‌دهد
• عدد اکسایش سرب از ۰ به ۲+ می‌رسد
• الکترون در مدار خارجی از صفحه منفی به مثبت می‌رود
• روی صفحه منفی PbSO₄ تشکیل می‌شود

در صفحه سرب(IV) اکسید، کاهش انجام می‌شود

الکترون‌های رسیده به صفحه مثبت در واکنش کاهش مصرف می‌شوند. در محیط اسیدی، PbO₂ با یون‌های H⁺ و SO₄²⁻ واکنش می‌دهد و PbSO₄ و آب می‌سازد: PbO₂(s) + 4H⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) + 2e⁻ → PbSO₄(s) + 2H₂O(l). عدد اکسایش سرب در PbO₂ از ۴+ به ۲+ کاهش می‌یابد؛ بنابراین این صفحه کاتد است.

وجود الکترولیت برای کامل‌شدن مدار داخلی ضروری است. الکترون از درون محلول عبور نمی‌کند؛ یون‌ها در الکترولیت جابه‌جا می‌شوند تا از انباشته‌شدن بار جلوگیری کنند. این تفکیک مسیرها مهم است: مدار فلزی مسیر الکترون و محلول مسیر حرکت یون‌هاست.

• کاهش همیشه در کاتد رخ می‌دهد
• عدد اکسایش سرب از ۴+ به ۲+ کاهش می‌یابد
• روی صفحه مثبت نیز PbSO₄ تشکیل می‌شود
• یون‌ها مدار داخلی و الکترون‌ها مدار خارجی را کامل می‌کنند

از جمع نیم‌واکنش‌ها به واکنش کلی دشارژ برس

در هر دو نیم‌واکنش دو الکترون مبادله می‌شود؛ با جمع‌کردن آن‌ها، الکترون‌ها حذف می‌شوند. اگر یون‌های H⁺ و SO₄²⁻ را به صورت H₂SO₄ بنویسیم، واکنش کلی دشارژ چنین است: Pb(s) + PbO₂(s) + 2H₂SO₄(aq) → 2PbSO₄(s) + 2H₂O(l). در نتیجه هر دو صفحه به تدریج با PbSO₄ پوشیده می‌شوند.

در این واکنش سولفوریک اسید مصرف و آب تولید می‌شود، پس با دشارژشدن باتری، غلظت و چگالی الکترولیت کاهش می‌یابد. اندازه‌گیری چگالی الکترولیت می‌تواند نشانه‌ای از وضعیت شارژ باشد، اما دما و سلامت خود باتری نیز بر نتیجه اثر دارند. کاهش چگالی را نباید به معنای ناپدیدشدن همه یون‌ها دانست؛ ترکیب و غلظت محلول تغییر می‌کند.

• در دشارژ، Pb و PbO₂ مصرف می‌شوند
• PbSO₄ روی هر دو صفحه تشکیل می‌شود
• H₂SO₄ مصرف و H₂O تولید می‌شود
• غلظت و چگالی الکترولیت کاهش می‌یابد

شارژ، واکنش شیمیایی را با انرژی بیرونی معکوس می‌کند

دینام خودرو پس از روشن‌شدن موتور، انرژی لازم را برای شارژ باتری فراهم می‌کند. منبع بیرونی الکترون‌ها را در جهتی می‌راند که واکنش کلی دشارژ برعکس شود: 2PbSO₄(s) + 2H₂O(l) → Pb(s) + PbO₂(s) + 2H₂SO₄(aq). در شارژ مناسب، مواد فعال صفحه‌ها بازسازی و غلظت اسید بیشتر می‌شود.

هنگام شارژ، سامانه دیگر یک سلول گالوانی خودبه‌خودی نیست و مانند یک سلول الکترولیتی با مصرف انرژی کار می‌کند. با معکوس‌شدن جهت واکنش، نقش اکسایش و کاهش صفحه‌ها نیز نسبت به دشارژ عوض می‌شود؛ اما قاعده‌ها ثابت‌اند: آند محل اکسایش و کاتد محل کاهش است. شارژ بیش از حد می‌تواند واکنش‌های ناخواسته مانند تجزیه آب و تولید گاز را افزایش دهد، بنابراین کنترل ولتاژ و جریان اهمیت دارد.

• شارژ به منبع انرژی الکتریکی بیرونی نیاز دارد
• در شارژ، Pb و PbO₂ دوباره ساخته می‌شوند
• غلظت H₂SO₄ افزایش می‌یابد
• آند و کاتد را با اکسایش و کاهش تعیین کن، نه با حفظ علامت صفحه

باتری ثانویه را از پیل سوختی و پیل یک‌بارمصرف جدا کن

باتری سربی یک باتری ثانویه یا شارژشدنی است، زیرا واکنش کلی آن را می‌توان با اعمال انرژی الکتریکی تا حد زیادی معکوس کرد. در یک پیل اولیه، طراحی برای شارژ مجدد مناسب نیست و تلاش برای معکوس‌کردن واکنش می‌تواند بی‌اثر یا خطرناک باشد. پس برگشت‌پذیربودن عملی فقط از روی دوطرفه نوشتن یک معادله نتیجه نمی‌شود و به ساختار الکترودها و واکنش‌های جانبی نیز وابسته است.

سلول سوختی نیز با باتری سربی فرق دارد. در سلول سوختی، واکنش‌دهنده‌ها پیوسته از بیرون تأمین می‌شوند، ولی مواد فعال باتری درون خود آن ذخیره شده‌اند. باتری پس از مصرف بخش بزرگی از مواد فعال باید شارژ شود؛ سلول سوختی تا زمانی که خوراک و اکسنده دریافت کند می‌تواند کار کند.

• باتری سربی از نوع ثانویه و شارژشدنی است
• هر پیل اولیه را نباید شارژ کرد
• مواد فعال باتری درون آن ذخیره شده‌اند
• سلول سوختی به خوراک پیوسته بیرونی نیاز دارد

مثال حل‌شده: مصرف سرب و اسید را حساب کن

فرض کن در دشارژ کامل یک خانه، ۰٫۱۰ mol سرب فلزی طبق واکنش کلی مصرف شود. ضرایب واکنش نشان می‌دهند به ازای ۱ mol Pb، مقدار ۱ mol PbO₂ و ۲ mol H₂SO₄ مصرف و ۲ mol PbSO₄ تولید می‌شود. بنابراین ۰٫۱۰ mol PbO₂ و ۰٫۲۰ mol H₂SO₄ مصرف و ۰٫۲۰ mol PbSO₄ تولید خواهد شد.

با جرم مولی تقریبی H₂SO₄ برابر 98 g·mol⁻¹، جرم اسید مصرف‌شده 0.20×98 = 19.6 g است. همچنین از نیم‌واکنش اکسایش می‌دانیم هر مول Pb دو مول الکترون آزاد می‌کند؛ پس ۰٫۱۰ mol سرب با انتقال ۰٫۲۰ mol الکترون همراه است. این مثال نسبت مواد را نشان می‌دهد و ظرفیت واقعی باتری را تعیین نمی‌کند، زیرا ظرفیت به مقدار ماده فعال قابل دسترس و شرایط کار نیز وابسته است.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: هنگام دشارژ یک باتری سربی، ۰٫۳۰ mol PbSO₄ در مجموع روی دو صفحه تشکیل شده است. مقدار مول H₂SO₄ مصرف‌شده و H₂O تولیدشده را پیدا کن و بگو چگالی الکترولیت چه تغییری می‌کند. از ضرایب واکنش کلی، نسبت PbSO₄ به H₂SO₄ و H₂O در هر سه مورد ۲ به ۲ یا ۱ به ۱ است؛ پس ۰٫۳۰ mol اسید مصرف و ۰٫۳۰ mol آب تولید می‌شود.

چون اسید مصرف و آب تولید شده است، الکترولیت رقیق‌تر و چگالی آن کمتر می‌شود. برای کنترل پاسخ، اتم‌های واکنش کلی را بشمار و جهت حرکت الکترون را فقط برای دشارژ مشخص کن: از صفحه Pb به صفحه PbO₂. اگر مسئله درباره شارژ بود، واکنش کلی و تغییر غلظت اسید را معکوس در نظر بگیر.

• حالت شارژ یا دشارژ را پیش از حل مشخص کن
• در دشارژ، Pb آند و PbO₂ کاتد است
• نیم‌واکنش‌ها را جمع کن و الکترون‌ها را حذف کن
• نسبت‌های مولی را فقط از معادله موازنه‌شده بردار
• کاهش غلظت اسید نشانه دشارژشدن است
• در شارژ، جهت واکنش و تغییرات مواد معکوس می‌شود