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碱性铅蓄电池化学反应,铅酸蓄电池化学反应中的物质转化

碱性铅蓄电池化学反应,铅酸蓄电池化学反应中的物质转化纯硫酸是氢的88倍,因为正极、负极反应都需要硫酸,所以硫酸应该加倍,即196g。因为铅原子是氢原子重量的207倍,铅就用207g,二氧化铅分子重量是氢原子重量的239倍,二氧化铅就用239g。众所周知,一个铅酸蓄电池包括正极、负极和电解液。正极活性物质是二氧化铅(PbO2),负极活性物质是分布均匀的多孔状态的纯铅(Pb),电解液是硫酸(H2SO4)。这些物质以固定的关系发生反应并生产新的物质。铅酸蓄电池中的这些物质之间的变化关系见W.Bartmann的示意图。在描述这些过程时,通常考虑所谓的分子量,因为单个原子或分子的重量小的让人难以想象,而且也无法用仪器进行称重,所以在实际计算时,都使用它的倍数。在这里,一切都是基于我们能想象得到的,也是自然界中最轻的物质-氢来考虑的(精确的定义略有不同,但是几乎没有任何其他的数值了)。

如之前铅酸蓄电池的化学反应文章中所述,在充电、放电过程中,获得的物质重新分解、生成或生成分解、物质在两个方向来回转换。

从物质转化的角度进行考虑,是分析铅酸蓄电池内部发生的化学反应过程的另一种方法。由W.Bartmann在1986年发明的示意图(下图)被证明可以帮助我们很好的理解。与之相关的描述也非常的贴切,通俗易懂,其主要部分叙述如下:

碱性铅蓄电池化学反应,铅酸蓄电池化学反应中的物质转化(1)

铅酸蓄电池材料和电量的转换

铅酸蓄电池中物质与量的转变:

众所周知,一个铅酸蓄电池包括正极、负极和电解液。正极活性物质是二氧化铅(PbO2),负极活性物质是分布均匀的多孔状态的纯铅(Pb),电解液是硫酸(H2SO4)。这些物质以固定的关系发生反应并生产新的物质。

铅酸蓄电池中的这些物质之间的变化关系见W.Bartmann的示意图。

在描述这些过程时,通常考虑所谓的分子量,因为单个原子或分子的重量小的让人难以想象,而且也无法用仪器进行称重,所以在实际计算时,都使用它的倍数。在这里,一切都是基于我们能想象得到的,也是自然界中最轻的物质-氢来考虑的(精确的定义略有不同,但是几乎没有任何其他的数值了)。

因为铅原子是氢原子重量的207倍,铅就用207g,二氧化铅分子重量是氢原子重量的239倍,二氧化铅就用239g。

纯硫酸是氢的88倍,因为正极、负极反应都需要硫酸,所以硫酸应该加倍,即196g。

如果我们给电池加负载使其放电,那么就会从硫酸中分离出一个SO2分子(见上图)(说一个SO2分子是不精确的,应该是SO4,前者用以表示物质平衡)和正极的二氧化铅结合,形成分子量为303的硫酸铅(PbSO4)303g。在负极发生相似的过程,但是在这里从硫酸中分离出的SO4必须和负极的铅结合,同样生成PbSO4。如果一方面从硫酸中得到SO2,另一方面得到SO4,就会剩下水,为36g。

在放电过程中的任一时刻,总重量都是相同的,即642g,但单个物质的重量是变化的。这样,正极材料比原来重了约27%,负极材料比原来重了约46%,电解液的重量则相应减少。

当发生上述物质变化时,可以从电池中得到2法拉第的电量,即我们在实际测量时的53.6Ah。我们当然不能说给定了这一重量,电池就能放出53.6Ah容量。但是,可以知道,对于一个给定尺寸的电池,通过一定物质总量的转换,可以得到53.6Ah的电量。实际操作中,活性物质是不可能100%进行转换的,因为在反应末期的产品(即硫酸盐)就不再导电了。

为了恢复荷电状态,电流方向必须反转,也就是所述的充电,理论上同样只需要53.6Ah。但是,在实际中必须多充约20%,然而,根据开始时引用的能量转换定律,这20%是不会简单消失的。那么又到哪里去了呢?下面简要做一下解释:

在一个伽伐尼体系中(铅酸蓄电池就是这样一个体系),电流在从固体电极到电解液或从电解液流到固体电极的过程中,都必须做一定的功。只有有足够的可供转换的硫酸铅,这种转换在充电过程中就会进行下去。如果硫酸盐的浓度很低,就有可能在适当的转换率下,一些电子找不到可转换的硫酸铅。而这部分电子必须完成某些工作,其中包括将水分解成氢气和氧气。这两种物质都是气体,它给我们一个信息,即电池将要充足电了。顺便提一句,氧气在正极析出,氢气在负极析出。

氧气和氢气以相关比例混合就会易燃甚至爆炸。这部分能量就是过充的20%。

上面描述的过程简单的以1Ah示与上图底部。必须指出,电能和化学能是以固定比率联系在一起的。

我们知道,在上面描述的物质转换过程中产生或消耗的2法拉第(大约53.6Ah)电量是由电子构成的。

电量的单位是库仑。

1法拉第(F)等于96500库仑(C)

对于上面描述的过程,放电时得到:2F=2×96500C

1库仑(C)相当于1安培·秒(As)

所以有:2F=2×96500As(1h=3600s)=2×26.8Ah=53.6Ah

在这里我们得到了上面所说的53.6Ah。

电子具有下述基本电荷:

e=库仑(C)

或反过来:

1C=(负号省略)

由于2法拉第为2×96500库仑,这相当于:

电子

这是个非常巨大的数字。

在相反的过程(充电),消耗相应数量的电子。

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