《機械》〈電気化学〉[H26:問7]鉛蓄電池の原理や特徴に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

次の文章は，鉛蓄電池に関する記述である。文中の\( \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ \)に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選びなさい。

鉛蓄電池は1859年，フランスのプランテの発明による二次電池で，150年以上の歴史をもち，自動車の始動用を始め，多くのところで利用されている。

鉛蓄電池の\( \ \fbox {　 （１） 　} \ \)としては二酸化鉛が用いられ，硫酸水溶液が電解液として用いられる。ここでの放電反応は次式で表される。
\[
\mathrm {PbO_{2}} \ + \ \mathrm {2H_{2}SO_{4}} \ + \ \mathrm {Pb} \ → \ \mathrm {PbSO_{4}} \ + \ \mathrm {2H_{2}O} \ + \ \mathrm {PbSO_{4}}
\] この電池で得られる理論電気量はファラデーの法則に従うが，ここではファラデー定数が重要な因子である。この定数として一般に\( \ \mathrm {96500} \ \mathrm {C/mol} \ \)が用いられるが，二次電池の分野では電気量を\( \ \mathrm { [ A \cdot h ] } \ \)で表すことも多く，ファラデー定数をこの単位で表すと\( \ \fbox {　 （２） 　} \ \mathrm { A \cdot h / mol } \ \)となる。鉛蓄電池の電圧は水溶液を用いる電池として最も高く，公称電圧は\( \ \fbox {　 （３） 　} \ \mathrm { V } \ \)である。この電圧は水の理論分解電圧よりも高く，\( \ \fbox {　 （４） 　} \ \)が大きいことの一つの理由となっている。鉛蓄電池の放電の状態を知るためには電池電圧を測る方法のほかに，電解液の\( \ \fbox {　 （５） 　} \ \)を測る方法も利用されている。この\( \ \fbox {　 （５） 　} \ \)が小さいときには電池の放電が進んでいると判断できる。

〔問7の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　2.0　　　　　&（ロ）&　熱伝導度　　　　　&（ハ）&　1.2 \\[ 5pt ] &（ニ）&　1.5　　　　　&（ホ）&　正極活物質　　　　　&（ヘ）&　抵　抗 \\[ 5pt ] &（ト）&　268　　　　　&（チ）&　比　重　　　　　&（リ）&　サイクル寿命 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　負極活物質　　　　　&（ル）&　電解質　　　　　&（ヲ）&　放電特性 \\[ 5pt ] &（ワ）&　自己放電　　　　　&（カ）&　26.8　　　　　&（ヨ）&　2.68 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

鉛蓄電池は高校の化学でも出てくる内容となっていますので，復習となる方も多いと思います。高校の化学よりは複雑な内容は問われませんが，復習も兼ねて理解しておくようにしておきましょう。

1.鉛蓄電池
代表的な二次電池（蓄電池）の一つで，正極と負極では以下のような反応となります。

①反応式（放電時，充電時は逆）
\[
\begin{eqnarray}
　正極&：& \mathrm {PbO_{2}} &+& \mathrm {{SO_{4}}^{2-}} &+& \mathrm {4H^{+}} + \mathrm {2e^{-}} &→& \mathrm {PbSO_{4}} &+& \mathrm {2H_{2}O } \\[ 5pt ] 　負極&：& \mathrm {Pb} &+& \mathrm {{SO_{4}}^{2-}} && &→& \mathrm { PbSO_{4}} &+& \mathrm {2e^{-} } \\[ 5pt ] \hline
　全体&：& \mathrm {Pb} &+& \mathrm {PbO_{2}} &+& \mathrm {2H_{2}SO_{4}} &→& \mathrm {2PbSO_{4}} &+& \mathrm {2H_{2}O } \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【解答】

(1)解答：ホ
題意より，解答候補は（ホ）正極活物質，（ヌ）負極活物質，（ル）電解質，になると思いますが，ワンポイント解説「1.鉛蓄電池」の通り，二酸化鉛は正極活物質です。ちなみに電解質は希硫酸です。

(2)解答：カ
\( \ \left[ \mathrm {C} \right] =\left[ \mathrm {A \cdot s} \right] \ \)であるので，
\[
\begin{eqnarray}
96500 \left[ \mathrm {C／mol} \right] &=& 96500 \left[ \mathrm {A \cdot s／mol} \right] \\[ 5pt ] &=& \frac {96500}{3600} \left[ \mathrm {A \cdot h／mol} \right] \\[ 5pt ] &≒& 26.8 \left[ \mathrm {A \cdot h／mol} \right] \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] と求められます。

(3)解答：イ
題意より，解答候補は（イ）\( \ 2.0 \ \)，（ハ）\( \ 1.2 \ \)，（ニ）\( \ 1.5\)，になると思いますが，公称電圧は\( \ 2.0 \ \mathrm {V} \ \)程度となります。

(4)解答：ワ
鉛蓄電池は公称電圧が水の理論分解電圧より高いため，高温下でそのまま置いておくと水を電気分解して水素と酸素を発生させる自己放電現象が発生します。また，さらに長時間放置すると，電極表面に\( \ \mathrm {PbSO_{4}} \ \)が析出するサルフェーションという現象が発生します。

(5)解答：チ
題意より，解答候補は（ロ）熱伝導度，（ヘ）抵抗，（チ）比重，（リ）サイクル寿命，（ヲ）放電特性，になると思います。ワンポイント解説「1.鉛蓄電池」の反応式の通り，自己放電現象により\( \ \mathrm {H_{2}SO_{4}} \ \)が失われ，電解液の比重が低下することから，定期的に電解液の比重を測ることが行われています。