بطارية الرصاص الحامضية (مركم الرصاص)

التعريف والتركيب

• أنسب أنواع البطاريات المستخدمة في السيارات (تعرف ببطارية السيارة).
• تتكون غالبًا من ست خلايا موصلة على التوالي، تنتج كل خلية \[\begin{gathered}E{}^{\circ}\,\text{cell} = 2 V\end{gathered}\]، فتكون القوة الدافعة للبطارية 2 × 6 = 12 V.
• يمكن تصنيع بطاريات أكبر حجمًا تحتوي على أكثر من ست خلايا.
• الأنود (المصعد): شبكة من الرصاص مملوءة برصاص إسفنجي Pb.
• الكاثود (المهبط): شبكة من الرصاص مملوءة بعجينة من ثاني أكسيد الرصاص PbO₂.
• تفصل الألواح عن بعضها بصفائح عازلة، وتغمر في محلول حمض الكبريتيك المخفف (الإلكتروليت).
• توضع في وعاء من المطاط الصلب أو البلاستيك (بولي ستيرين) لا يتأثر بالأحماض.
• تعمل كخلية جلفانية أثناء التفريغ، وكخلية إلكتروليتية عند إعادة الشحن.

(1) تفاعل التفريغ

• الأنود (أكسدة): \[\begin{gathered}\,\text{Pb}(s) + \,\text{SO}_{4}^{2-}(\,\text{aq}) \rightarrow \,\text{PbSO}_{4}(s) + 2e^{-} (E{}^{\circ} = 0.36 V)\end{gathered}\]
• الكاثود (اختزال): \[\begin{gathered}\,\text{PbO}_{2}(s) + 4H^{+}(\,\text{aq}) + \,\text{SO}_{4}^{2-}(\,\text{aq}) + 2e^{-} \rightarrow \,\text{PbSO}_{4}(s) + 2H_{2}O(l) (E{}^{\circ} = 1.69 V)\end{gathered}\]
• التفاعل الكلي: \[\begin{gathered}\,\text{Pb}(s) + \,\text{PbO}_{2}(s) + 4H^{+}(\,\text{aq}) + 2\,\text{SO}_{4}^{2-}(\,\text{aq}) \rightarrow 2\,\text{PbSO}_{4}(s) + 2H_{2}O(l) (E{}^{\circ}\,\text{cell} = 2.05 V)\end{gathered}\]
• القوة الدافعة للخلية الواحدة: \[\begin{gathered}0.36 + 1.69 = 2.05 V\end{gathered}\] (وتقرب إلى 2 V).

(2) الكشف عن حالة البطارية

• تعرف حالة البطارية بقياس كثافة محلول الحمض بالهيدروميتر (مقياس الكثافة للسوائل).
• عند كمال الشحن تكون كثافة الحمض نحو \(1.28 - 1.3 g/\,\text{cm}^{3}\).
• إذا قلت الكثافة عن \(1.28 g/\,\text{cm}^{3}\) فهذا يعني أن البطارية تحتاج إلى إعادة الشحن.
• سبب الانخفاض أثناء الاستعمال:
  • يخف تركيز حمض الكبريتيك لزيادة كمية الماء الناتج من التفاعل.
  • تتحول مواد الكاثود PbO₂ ومواد الأنود Pb إلى كبريتات الرصاص II فتنقص كمية التيار المستمد منها.

(3) تفاعل الشحن

• يتم بتوصيل قطبي البطارية بمصدر للتيار الكهربي المستمر له جهد أكبر قليلًا من جهد البطارية.
• يحدث تفاعل عكس التفاعل التلقائي أثناء التفريغ: تتحول كبريتات الرصاص II إلى رصاص عند الأنود (الكاثود أثناء الشحن) وإلى ثاني أكسيد الرصاص عند الكاثود (الأنود أثناء الشحن)، ويعود تركيز الحمض إلى ما كان عليه:
  • 2PbSO₄(s) + 2H₂O(l) → Pb(s) + PbO₂(s) + 4H⁺(aq) + 2SO₄²⁻(aq) (بمرور تيار من مصدر خارجي)
• تعمل البطارية أثناء الشحن كخلية إلكتروليتية يحدث فيها تفاعل غير تلقائي بمرور تيار كهربي، أي تخزين الطاقة الكهربية الواردة في صورة طاقة كيميائية.
• لذلك اعتبرت الخلايا الثانوية (المراكم) بطاريات تخزين الطاقة، وفي السيارة يستخدم الدينامو باستمرار في إعادة شحن البطارية أولًا بأول.