Ólomakkumulátor

Vizsgáljuk meg az ólomakkumulátorban lezajló reakciót: szilárd ólomból és ólom-dioxidból ólom-szulfát keletkezik. Ennek a savas oldatban zajló reakciónak az egyenletét szeretnénk rendezni. Az ólomakkumulátorban kénsav található. Egy korábbi videóban már megnéztük, hogyan lehet rendezni egy savas oldatban zajló redoxireakció egyenletét. Ez a videó tuladonképpen annak az ismétlése, az ólomakkumulátort használva példaként. Először az oxidációs számokat kell megállapítanunk. Kezdjük a szilárd ólommal! Az elemek oxidációs száma mindig nulla, így a szilárd ólomé is nulla. Következzen az ólom-dioxid! Az oxigén oxidációs száma -2, kettő van belőle, ez összesen -4. Semleges vegyületekben az oxidációs számok összege nulla, így az ólomra +4-et kapunk eredményül. Jöhet az ólom-szulfát. Tudjuk, hogy a szulfátion képlete SO₄²⁻, így az ólom Pb²⁺ formában van jelen. Ez +2-es töltésű kation, az oxidációs szám tehát +2. Most felírjuk az oxidációs félreakciót. Mi oxidálódik itt? A szilárd ólom oxidációs száma 0-ról +2-re változik. Nő az oxidációs száma, tehát oxidálódik. Ideírom: a szilárd ólom az oxidációban Pb²⁺-ionná alakul. Szulfát is van jelen, amit be kell írni mindkét oldalra. Szilárd ólom van és SO₄²⁻ ionok, ezekből ólom-szulfát, azaz PbSO₄ lesz. Nézzük meg az atomokat! Egy ólom a bal oldalon, egy ólom a jobb oldalon. Egy kén a bal oldalon, egy kén a jobb oldalon. Négy oxigén a bal oldalon, négy oxigén a jobb oldalon. Minden atom rendezve van. Nézzük most a töltéseket! A töltéseket elektronok hozzáadásával lehet rendezni. Hány elektront kell hozzáadni, és hol? A bal oldalon -2 töltés van, a jobb oldalon a töltések összege 0. Ezeknek kell egyenlőnek lenniük. Ezt úgy érhetjük el, ha két elektront adunk a jobb oldalhoz. Ezzel a töltéseket is rendeztük. Idézzük fel: az oxidáció elektronleadást jelent. Ez tehát az a félreakció, amely a galvánelem anódján történik. Nézzük a redukciós félreakciót! Látjuk, hogy +4-ről +2-re csökken az oxidációs szám. A redukcióban PbO₂-ből keletkezik Pb²⁺-ion. Ehhez hozzá kell adni a szulfátot, hiszen az is ott van. A bal oldalon tehát lesz PbO₂ és SO₄²⁻, ezekből keletkezik PbSO₄. Rendezzük most az atomokat. Kezdjük az ólommal! Egy ólom a bal oldalon, egy ólom a jobb oldalon. Ha ez megvan, és a kén is rendezve van, egy kén a bal oldalon, egy kén a jobb oldalon, akkor nézhetjük az oxigént. A bal oldalon itt van 2 oxigén, itt meg 4; összesen 6 oxigén van a bal oldalon. A jobb oldalon viszont csak 4 oxigén van. Az oxigént víz hozzáadásával lehet rendezni. Két oxigén kell a jobb oldalon, ehhez két vízre van szükség. Két víz hozzáadásával redben vannak az oxigénatomok is. Most a hidrogének rendezése következik, H⁺ hozzáadásával. A jobb oldalon 4 hidrogén van, a bal oldalon egy sincs. Így négy protont kell a bal oldalhoz hozzáadni. Most már mindkét oldalon négy hidrogén van. Végezzük el a töltések rendezését. Mekkora az össztöltés a bal oldalon? Négy pozitív és két negatív töltés van, összegük tehát +2. A jobb oldalon a töltések száma 0, tehát két elektront kell adnunk a bal oldalhoz, hogy a töltéseket rendezzük. Ezzel kész a redukciós félreakció. Ez történik a galvánelem katódján. Adjuk össze a két félreakciót! Megtehetjük, hiszen az elektronok száma már megegyezik. Az oxidációs félreakcióban két elektron felszabadult, a redukciós félreakcióban pedig kettő megkötődött. Az elektronok tehát rendben vannak. Az akkumulátorben lejátszódó reakció bruttó egyenletéhez összeadjuk a két félreakciót,. Adjuk össze a reagenseket! Szilárd ólom és szulfátion: Pb és SO₄²⁻. Az alsó egyenletben a reagensek: négy H⁺, egy PbO₂ és egy SO₄²⁻. A termékeknél van PbSO₄, és itt is van PbSO₄, meg két H₂O. Az elektronok kiesnek, nem kell velük foglalkoznunk. Egyszerűsítsük ezt az egyenletet! Hogy lehet egyszerűsíteni? A bal oldalon van ólom, azaz Pb, valamint PbO₂. Van még négy H⁺ is, és két szulfátion, két SO₄²⁻. A termékeknél pedig van két PbSO₄ és két H₂O. Ezzel készen is vagyunk. Ez az ólomakkumulátorban lejátszódó bruttó reakció. Tankönyvekben ezt néha másképp írják: kettő a protonok közül a szulfátionokhoz kapcsolható, két HSO₄⁻-iont alkotva, így csak két proton marad az egyenletben. Ez egy alternatív leírása annak, ami az akkumulátorban történik. Amit ezzel jellemzünk, az egy galvánelem. A spontán redoxireakció elektromos feszültséget hoz létre. Egy ilyen elem feszültsége, a cellapotenciál, kb. 2 V. Ha hat ilyen cellát sorbakapcsolunk, megkapjuk az autóakkumulátort, melynek feszültsége 12 V: hat cella, mindegyik 2 voltos. Kisütéskor (az energia felhasználásakor) a spontán redoxireakció elektromos áramot termel, amivel beindítható a motor. Ha az indítómotor már leáll, a generátor elkezdi tölteni az akkumulátort. A generátor az akkumulátoron áramot hajt át. Ezzel elindul a fordított reakció, hiszen mindkét elektródon van szilárd ólom-szulfát, amely az áramtermelés során kivált. Újra lehet tehát tölteni az akkumulátort. Gondolhatunk rá galvánelemként, amely egy magától zajló redoxireakcióval elektromos áramot termel, illetve elektrolizáló cellaként is, mikor az áthajtott áram segítségével újratöltjük. Az áthajtott árammal magától végbe nem menő reakciót lehet végrehajtani. Az ólomakkumulátor tehát egy újratölthető galvánelem, ezért használjuk az autókban. Ráadásul még nagyon tartós is.