Лабораторная работа № 19 Свойства свинца и свинцовый аккумулятор

Свойства атомов элементов и, образуемых ими, соединений предопределяют их применение.

Свинец применяют в свинцовом аккумуляторе – химическом источнике постоянного тока (ХИТ). Данный аккумулятор находит широкое применение для сельскохозяйственной и другой техники.

Аккумулятор – устройство, способное накапливать химическую энергию и превращать ее по мере надобности в электрическую. Аккумулирование химической энергии происходит в результате потребления электрической энергии.

Аккумуляторы характеризуются емкостью, то есть количеством электричества в ампер-часах, которое может быть отдано аккумулятором при разрядке.

Длительность работы аккумуляторов при правильной их эксплуатации составляет до 1000 и более циклов. Коэффициент отдачи аккумулятора выражается отношением количества энергии, полученной при разрядке аккумулятора, к количеству энергии, израсходованной на его зарядку.

Электродами свинцового (кислотного) аккумулятора являются свинцовые решетки, заполненные оксидом свинца РвО (К) или порошком свинца (А), которые при взаимодействии с электролитом – раствором серной кислоты, превращаются в сульфат свинца РвSO₄. При зарядке и разрядке аккумулятора на одном электроде (аноде) протекают реакции, при которых степень окисления свинца меняется от +2 до 0 и обратно:

зарядка

РвSO₄ + 2е^- Рв + SO₄^2- ; φ^о_{РвSO /Рв} = - 0,36В, (19.1)

разрядка

а на другом (катоде) – степень окисления свинца меняется от +2 до +4 и обратно:

зарядка

РвSO₄ + 2Н₂О - 2е^- РвО₂ + SO₄^2- + 4Н⁺ ; φ^о_{РвO / РвSO} = 1,68В. (19.2)

разрядка

Суммарная реакция в аккумуляторе:

зарядка

2 РвSO₄ + 2Н₂О Рв + РвО₂ + 2 Н₂SO₄ (19.3)

разрядка

Напряжение аккумулятора (ε), равное разности потенциалов электродов, может быть рассчитано по уравнению:

ε = φ^о_{РвO / РвSO} - φ^о_{РвSO /Рв} = 1,68 – ( - 0,36) = 2,04 В. (19.4)

Электрохимическая схема заряженного свинцового аккумулятора:

( - ) Рв / H₂SO₄ / PbO₂ ( + ). (19.5)

При зарядке свинцового аккумулятора следует остерегаться его «перезарядки», т.е. того положения, когда на катоде все ионы свинца Рв²⁺ превратились в Рв^о , а пропускание тока продолжается. В этом случае начинает восстанавливаться на катоде и окисляться на аноде вода (выделяются водород и кислород) – аккумулятор «кипит»:

н/к 2Н₂О + 2е^- = Н₂ + 2ОН^-

н/а 2Н₂О - 4е^- = О₂ + 4 Н⁺. (19.6)

Такой процесс вреден уже потому, что изменяется концентрация кислоты и меняются характеристики аккумулятора, и во-вторых, это может привести к воспламенению и даже взрыву смеси кислорода и водорода. Поэтому в аккумуляторных не разрешается курить и вообще пользоваться огнем.

Аккумулятор считается разряженным при снижении напряжения на электродах до 1,8 В.

Цель работы

1. Исследовать свойства свинца и его диоксида.

2. Собрать ячейку свинцового аккумулятора, зарядить ее и разобраться в принципе его работы.

Опыт 1. Амфотерные свойства свинца

Выполнение опыта

Осторожно! Проведение требует внимательного отношения.

Положить в пробирку небольшой кусочек свинца (не более 0,1г) и прилить 3см³ раствора гидроксида натрия с массовой долей NaOH 10%. Слегка (!) подогреть пробирку (выполнять под вытяжкой).

Аналогично проделать реакцию свинца с разбавленным раствором азотной кислоты С(HNO₃) = 0,2моль/л.

Наблюдения и выводы

1. Наблюдать растворение свинца в щёлочи и в кислоте. Сделать вывод о его свойствах.

2. Написать уравнения: молекулярные, ионно-молекулярные, электронные.

Опыт 2. Окислительные свойства диоксида свинца – PbO₂

Выполнение опыта

Налить в пробирку 10 капель раствора иодида калия с С(KI) = 0,1моль/л, 3 капли 0,2н. раствора серной кислоты H₂SO₄ и добавить небольшое количество диоксида свинца микрошпателем.

Смесь нагреть, соблюдая меры предосторожности.

Наблюдения и выводы

1. Наблюдать изменение цвета раствора после того, как отстоится осадок.

2. Написать уравнение окислительно-восстановительной реакции и объяснить изменение цвета раствора.

Опыт 3. Электролитическое окисление свинца и принцип работы свинцового аккумулятора

Выполнение опыта

Налить в батарейный стакан на 2/3 его объёма раствора серной кислоты с массовой долей Н₂SO₄ 30%, плотностью 1,219г/см³ (приготовленного в лабораторной работе № 18), опустить в него две свинцовые пластинки, снабженные клеммами.

Соединить проводниками клеммы с источником постоянного тока, напряжением 12-18В (схема 19.1). Включить ток и с помощью реостата довести силу тока до 1A. Сила тока и напряжение измеряются, включёнными в цепь, амперметром и вольтметром.

Процесс электролиза продолжать до тех пор, пока на аноде не образуется заметное количество коричневого цвета диоксида свинца PbO₂. После этого ток следует выключить.

Наблюдения и выводы

1. Записать процессы на катоде и аноде, происходящие при зарядке аккумулятора.

2. Записать электродные процессы, происходящие при перезарядке свинцового аккумулятора.

3. Представить электрохимическую схему заряженного аккумулятора.

4. Собрать электрическую цепь (схема 19.2), замкнуть её и наблюдать по отклонению стрелки амперметра наличие тока в цепи.

5. Записать катодный и анодный процессы, происходящие при разрядке аккумулятора.

6. Рассчитать ошибки: абсолютную и относительную.

Схема 19.1. Не заряженная аккумуляторная ячейка

1 – батарейный стакан; 2 – источник тока; 3 – вольтметр; 4 – амперметр;

5 – реостат; 6 – ключ.

Схема 19.2. Заряженная аккумуляторная ячейка