بطارية الرصاص-الحمض
بطارية الرصاص أومركم الرصاص) lead-acid هي بطارية يستخدم فيها الأقطاب في هيئة ألواح من الرصاص وأكسيد الرصاص منغمسة في كهرل من حامض الكبريتيك المخفف .
وهي نوع من البطاريات الزهيدة الثمن وتعمر طويلا . ولكن بمقارنتها بالأنواع الأخرى من البطاريات فهي ثقيلة الوزن وتحتوي على كثافة طاقية منخفضة لا تتعدى 30 واط ساعة لكل كيلوجرام .
وتستعمل من بين استعمالاتها الكثيرة في السيارات الكهربائية . وأغلب استعمالاتها كبطارية لبدء تشغيل بادئ الاشتعال في سيارات الاحتراق الداخلي .
ويعود الفضل في اكتشاف خلية الحمض - رصاص إلى العالم الفرنسي |گاستون بلانتيه Gaston Plante عام 1859. وهي تعدّ من أبرز الخلايا الثانوية secondary cells وأوسعها انتشاراً؛ لإمكانية شحنها بعد تفريغها. وتستخدم في عربات النقل والشاحنات والطائرت ومحطات توليد الطاقة الاحتياطية وآليات البناء.
هجريبها
تتألف خلية الحمض - رصاص كما هومبين في (الشكل-1) من قطب رصاص Pb، هوالقطب السالب للخلية، وقطب من ثاني أكسيد الرصاص PbO2 مغمورين في محلول كهرليتي electrolyte ناقل للتيار هوحمض الكبريت الممدد SO4H2. وتولد بين طرفيها جهداً كهربائياً يساوي 2 فولط نتيجة تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
لدى وصل الخلية بدارة خارجية يتحلل القطب السالب إلى إلكترونات حرة وأيونات رصاص موجبة. تدور الإلكترونات في الدارة الخارجية، وتتفاعل أيونات الرصاص مع أيونات الكبريتات SO4 في المحلول الكهرليتي معضلة كبريتات الرصاص SO4Pb. ولدى دخول الإلكترونات إلى الخلية يحدث تفاعل في القطب الموجب PbO2؛ إذ يتحد ثاني أكسيد الرصاص مع أيونات الهدروجين في المحلول الكهرليتي وينتج من التفاعل ماء H2O ويتحرر الرصاص في المحلول الكهرليتي ليشكل كبريتات الرصاص SO4Pb كذلك.
تفقد خلية الرصاص مقدرتها على توليد التيار الكهربائي بالتدريج نتيجة تحول حمض الكبريت إلى ماء، وتحول المسريين إلى كبريتات الرصاص. إلا أنه لدى شحن الخلية بإمرار تيار كهربائي فيها بالاتجاه المعاكس، تجري التفاعلات الكيميائية المذكورة أعلاه بالاتجاه المعاكس، وتعود الخلية إلى تام مقدرتها في توليد التيار الكهربائي.
يقارب العمر المجدي لخلية الحمض - رصاص أربعة سنوات. وقد طُور منها مؤخراً أنواع يبلغ عمرها المجدي 70 عاماً، وتصنع لتطبيق مهمات خاصة لأغراض الفضاء أوالتنصت على المكالمات الهاتفية وغير ذلك.
يجري عادة جمع عدد من خلايا الحمض - رصاص على التسلسل لتوليد جهود كهربائية أعلى مثلاًستة فولط أو12 فولط أو24 فولط لاستخدامها في السيارات والقطارات والطائرات، ويسمى عندها مجموع الخلايا بطارية أومدخرة storage battery. وعادة ما توصل هذه البطاريات أوالمدخرات مع مولد محمول على واسطة النقل لشحنها باستمرار كي تكون جاهزة للاستعمال عند الإقلاع.
تمتاز مدخرة الحمض - رصاص بمقاومة داخلية منخفضة، وبالتالي فهي قادرة على تقديم تيار كهربائي عالٍ. ولكل مدخرة إضافة إلى الجهد الذي تولده سعة capacity تقاس بواحدة الأمبير ساعة Ampere- hours ويرمز لها اختصاراً بـ Ah. فالمدخرة التي سعتها 120 Ah تولد تياراً شدته 12 أمبير مدة عشر ساعات أو24 أمبير مدةخمسة ساعات.
تشحن المدخرات الرصاصية عادة تحت جهد يساوي 2.7 فولط لكل خلية، وينبغي حتى تستمر عملية الشحن حتى يبلغ جهد الخلية قيمته المحددة، ويستعيد المحلول الكهرليتي كثافته النسبية الاعتيادية وهي ما بين 1.2و1.3. وتتجلى استعادة المدخرة الرصاصية الموضوعة تحت الشحن لنشاطها، من خلال ظهور فقاعات من الهدروجين والأكسجين من المدخرة نتيجة تحلل الماء كهربائياً. وبسبب تبخر جزء من المحلول الكهرليتي فإنه ينبغي الانتباه إلى تعويض هذا النقص، بحيث تظل أقطاب المدخرة مغمورة دوماً بالمحلول الكهرليتي، وذلك بإضافة ماء مقطر إليها أومحلول حمض الكبريت المدد. كما ينبغي حتى لا يسمح بهبوط الكثافة النسبية للمحلول الكهرليتي عن 1.12. يبين (الشكل-2) أجزاء مدخرة رصاصية تجمع فيهاستة خلايا حمض - رصاص على التسلسل لتكوين مدخرة سيارة تعمل على 12 فولط.
التفاعلات الكيميائية في بطارية الرصاص
تبلغ كثافة الطاقة في بطارية الرصاص 11و0 مليون جول/ كيلوجرام ، في حين حتى البطاريات الحديثة مثل بطارية النيكل- هيدريد المعدنية NiMH تحوي اربعة أضعاف تلك الكثافة .
وعند تشغيل البطارية تجري التفاعلات الكيميائية التالية :
القطب السالب:
القطب الموجب:
في هاتين المعادلتين تعني :
- Pb لوح الرصاص
- PbO_2 أكسيد الرصاص
- SO_4-2 أيون الكبريتات
- PbSO_4 كبريتات الرصاص
- H3O+ أيون ماء موجب الشحنة ،
- e- إلكترون
- H2O ماء
هذان التفاعلان يجريان أثناء تشغيل البطارية وسحب التيار منها ، أما أثناء عملية شحن البطارية فتجري تلك التفاعلات في الاتجاه المضاد .
وبجمع تفاعلي القطب الموجب والقطب السالب يمكن كتابة التفاعل الكلي بالمعادلة :
وطبقا لسير ذلك التفاعل من اليسار إلى اليمين أثناء تشغيل البطارية يتحول كلا من الرصاص وأكسيد الرصاص بالتفاعل مع حمض الكبريتيك إلى كبريتات الرصاص وينتج عن ذلك ماء وطاقة كهربية، ويسير التفاعل من اليمين إلى اليسار أثناء شحن البطارية بوساطة مصدر كهربائي خارجي.
ويمكننا تعيين فرق جهد البطارية الناتج بوساطة جدول جهد القطب القياسي standard electrode potential :
نجد في الجدول الجهد الكهربي للوح الرصاص Pb يساوي (- 36و0) فولت، والجهد الكهربي للوح أكسيد الرصاص PbO_2 يساوي (+ 68و1) فولت.
ونحصل على فرق الجهد بطرح الجهدين من بعضهما ، أي :
أي حتى القوة الدافعة الكهربائية للبطارية تبلغ 04و2 فولت ، وهذا هوفرق جهد البطارية عندماقد يكون التيار مساوللصفر. وعند تشغيل البطارية وسحب تيار منها فإن فرق الجهد بين القطبين ينخفض عن القوة الدافعة الكهربية المحسوبة .
التفريغ الذاتي:
يتفاعل أكسيد الرصاص مع حمض الكبريتيك حمتى في حالة عدم سحب التيار من البطارية فهوليس خاملا بالنسبة لحمض الكبريتيك . إلا حتى الجهد الذي يمارسه الهيدروجين في المحلول الحامضي يعمل على تخفيض سرعة هذا التفاعل الغير مرغوب فيه نظرا لأنه يعمل على التفريغ البطيء للبطارية رغم عدم استعمالها.
المصادر
- ^ أحمد حصري. "خلية الحمض - رصاص". الموسوعة العربية.
أنظر أيضاً
- بطارية السيارة
- مركم
- بطارية ليثيوم أيون
- تفاعل ناشر للحرارة
- تفاعل يمتص الحرارة
- تفاعل الثرميت
- تفاعل كيميائي
- اختزال
- تفاعل عكوس
