鉛蓄電池の反応と量的関係
カメレオン先生負極も正極も、放電が進むと同じ物質PbSO₄に変わる。質量の計算は、電子2molごとに何gの物質が変わるかで考えよう。
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- 鉛蓄電池は、負極にPb、正極にPbO₂、電解液に希硫酸を使う、くり返し使える二次電池（新しいタブで開きます）である。
- 放電では両極の表面にPbSO₄が付着するため、負極・正極ともに質量が増える。
- 充電（新しいタブで開きます）は放電と逆向きの反応で、外部電源を使って元のPbとPbO₂に戻す電気分解（新しいタブで開きます）である。
詳しく
鉛蓄電池の構造と放電・充電の反応式
鉛蓄電池は、負極に鉛Pb、正極に酸化鉛(Ⅳ)PbO₂を使い、電解液に希硫酸H₂SO₄を使う電池である。自動車のバッテリーなどに使われ、放電したあとも充電すれば繰り返し使える二次電池（蓄電池）の代表例である。
放電では、負極でPbが電子を放して硫酸鉛(Ⅱ)PbSO₄になる：Pb ＋ SO₄²⁻ → PbSO₄ ＋ 2e⁻。正極ではPbO₂が電子を受け取り、同じくPbSO₄になる：PbO₂ ＋ 4H⁺ ＋ SO₄²⁻ ＋ 2e⁻ → PbSO₄ ＋ 2H₂O。2つの式をまとめると、全体の反応は Pb ＋ PbO₂ ＋ 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ ＋ 2H₂O となる。
充電は、外部の電源から放電と逆向きに電流を流す電気分解である。両極に付いたPbSO₄が、それぞれ元のPbとPbO₂に戻るとともに、消費されたH₂SO₄も再生されるしくみだ。放電と充電は、同じ反応を逆方向にたどる関係にある。
例：放電にともなう両極の質量変化
放電では負極のPb（原子量207）がPbSO₄（式量（新しいタブで開きます）303）に変わるので、電子2molが流れるごとに負極の質量は303－207＝96g増える。正極のPbO₂（式量239）もPbSO₄（式量303）に変わるので、電子2molごとに正極の質量は303－239＝64g増える。
例題：鉛蓄電池を放電させ、電子が0.50mol流れたとする。負極の質量増加は、96g÷2mol×0.50mol＝24.0g。正極の質量増加は、64g÷2mol×0.50mol＝16.0g。両極を合わせた質量の増加は24.0＋16.0＝40.0gになる。
このように、両極の質量変化は反応式の係数（新しいタブで開きます）（電子2molあたりの質量変化）と、実際に流れた電子の物質量から計算できる。流れた電子の物質量は、次のページで学ぶファラデーの法則から求められる。
なぜ放電が進むと電解液の密度が下がるのか
放電の全体の反応式 Pb ＋ PbO₂ ＋ 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ ＋ 2H₂O を見ると、放電が進むほど希硫酸H₂SO₄が消費され、代わりに水H₂Oが生成する。つまり、電解液の中で硫酸の割合が減り、水の割合が増えていく。
硫酸は水よりも密度（新しいタブで開きます）が大きいため、電解液中の硫酸の割合が下がると電解液全体の密度も下がる。鉛蓄電池では、この電解液の密度を比重計で測ることで、充電がどれだけ残っているかを調べられる。
逆に充電を行うと、PbSO₄がPbとPbO₂に戻る一方で硫酸H₂SO₄が再び生成するため、電解液の密度は放電前の値に近づいていく。
確認問題
確認問題（解答用紙）
スマホやタブレットで読み取ると、この問題をその場で解けます。
https://manazoo.com/science/lead-acid-battery-reactions-and-quantities/?from=print#quiz
鉛蓄電池を放電させ、電子が0.20mol流れたとき、負極の質量は何g増加するか。Pbの原子量は207、PbSO₄の式量は303とする。
答え：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
正解：9.6
負極はPb(207)→PbSO₄(303)で、電子2molあたり303－207＝96g増える。96÷2×0.20＝9.6g。鉛蓄電池を放電させ、電子が0.20mol流れたとき、正極の質量は何g増加するか。PbO₂の式量は239、PbSO₄の式量は303とする。
答え：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
正解：6.4
正極はPbO₂(239)→PbSO₄(303)で、電子2molあたり303－239＝64g増える。64÷2×0.20＝6.4g。鉛蓄電池の充電はどのような操作か。
- ◯ 電解液を入れ替える操作
- ◯ 放電と同じ方向に自然に進む反応
- ◯ 電極を加熱する操作
- ◯ 外部電源を使って放電と逆方向に電流を流す電気分解
正解：外部電源を使って放電と逆方向に電流を流す電気分解
充電（新しいタブで開きます）は、外部電源から放電と逆向きに電流を流す電気分解（新しいタブで開きます）で、PbSO₄を元のPbとPbO₂に戻す。鉛蓄電池の放電が進むと、電解液（希硫酸）の密度はどうなるか。
- ◯ 下がる
- ◯ 一度上がってから下がる
- ◯ 変わらない
- ◯ 上がる
正解：下がる
放電が進むと密度（新しいタブで開きます）の大きい硫酸が消費され、水が生成するため、電解液の密度は下がる。
単元のポイント
- 負極の反応（放電） Pb ＋ SO₄²⁻ → PbSO₄ ＋ 2e⁻
- 正極の反応（放電） PbO₂ ＋ 4H⁺ ＋ SO₄²⁻ ＋ 2e⁻ → PbSO₄ ＋ 2H₂O
- 全体の反応（放電） Pb ＋ PbO₂ ＋ 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ ＋ 2H₂O
- 充電（新しいタブで開きます） 外部電源で放電と逆の反応を起こし、PbSO₄をPbとPbO₂に戻す電気分解