بطارية الرصاص-الحمض

بطارية الرصاص المستخدمة في السيارات

بطارية الرصاص أو مركم الرصاص) lead-acid هي بطارية يستخدم فيها الأقطاب في هيئة ألواح من الرصاص و أكسيد 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 العديدة 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 أهم الخلايا الثانوية secondary cells وأوسعها انتشاراً؛ لإمكانية شحنها بعد تفريغها. وتستخدم في عربات النقل والشاحنات والطائرت ومحطات توليد الطاقة الاحتياطية وآليات البناء.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تركيبها

خلية الحمض - رصاص والتفاعلات الجارية فيها إبان التفريغ

تتألف خلية الحمض - رصاص كما هو مبين في (الشكل-1) من قطب رصاص Pb، هو القطب السالب للخلية، وقطب من ثاني أكسيد الرصاص PbO2 مغمورين في محلول كهرليتي electrolyte ناقل للتيار هو حمض 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 مشكلة 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 كامل مقدرتها في توليد التيار الكهربائي.

يقارب العمر المجدي لخلية الحمض - رصاص 4 سنوات. وقد طُور منها مؤخراً أنواع يبلغ عمرها المجدي 70 عاماً، وتصنع لتنفيذ مهمات خاصة لأغراض الفضاء أو التنصت على المكالمات الهاتفية وغير ذلك.

يجري عادة جمع عدد من خلايا الحمض - رصاص على التسلسل لتوليد جهود كهربائية أعلى مثلاً 6 فولط أو 12 فولط أو 24 فولط لاستخدامها في السيارات والقطارات والطائرات، ويسمى عندها مجموع الخلايا بطارية أو مدخرة storage battery. وعادة ما توصل هذه البطاريات أو المدخرات 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 أو 24 أمبير مدة 5 ساعات.

مدخرة رصاصية مؤلفة من 6 خلايا  حمض - رصاص تولد 12 فولطاً

تشحن المدخرات الرصاصية عادة تحت جهد يساوي 2.7 فولط لكل خلية، وينبغي أن 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 تبقى أقطاب المدخرة مغمورة دوماً بالمحلول الكهرليتي، وذلك بإضافة ماء مقطر إليها أو محلول حمض الكبريت المدد. كما ينبغي أن لا يسمح بهبوط الكثافة النسبية للمحلول الكهرليتي عن 1.12. يبين (الشكل-2) أجزاء مدخرة رصاصية تجمع فيها 6 خلايا حمض - رصاص على التسلسل لتكوين مدخرة سيارة تعمل على 12 فولط.[1]


التفاعلات الكيميائية في بطارية الرصاص

توضيح طريقة عمل بطارية الرصاص : القطب الموجب من أكسيد الرصاص ، والقطب السالب لوح من الرصاص

تبلغ كثافة الطاقة في بطارية الرصاص 11و0 مليون جول/ كيلوجرام ، في حين أن 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 أن القوة الدافعة الكهربائية للبطارية تبلغ 04و2 فولت ، وهذا هو فرق جهد البطارية عندما يكون التيار مساو للصفر. 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 فهو ليس خاملا بالنسبة لحمض الكبريتيك . إلا أن 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

  1. ^ أحمد حصري. "خلية الحمض - رصاص". الموسوعة العربية. 

أنظر أيضاً