Acumulatorul cu plumb la BAC: descărcare și încărcare

Acumulatorul cu plumb transformă energia chimică în energie electrică la descărcare, iar la încărcare o sursă exterioară permite refacerea reactanților în modelul reversibil. Pentru chimie BAC, esențiale sunt rolurile Pb și PbO₂, formarea PbSO₄ și sensul transferului de electroni.

Lecția se aplică variantei chimie anorganică și generală, tema acumulatorului cu plumb. Folosim modelul electrochimic școlar și ecuații pentru analiză. Nu prezentăm instrucțiuni de deschidere, întreținere, construire sau încărcare a unui acumulator real.

Componentele urmărite în model

Un electrod implică plumbul metalic, Pb. Celălalt implică dioxidul de plumb, PbO₂. Electrolitul este o soluție de acid sulfuric. La descărcare, pe ambele părți se formează sulfat de plumb, PbSO₄, dar prin transformări electronice diferite.

În Pb metalic, numărul de oxidare al plumbului este zero. În PbO₂, oxigenul este minus doi, astfel că plumbul are plus patru. În PbSO₄, gruparea sulfat are sarcina formală minus doi, iar plumbul este plus doi.

Aceste trei valori arată imediat direcțiile: Pb trece de la zero la plus doi și se oxidează; plumbul din PbO₂ trece de la plus patru la plus doi și se reduce. Faptul că produsul conține aceeași stare finală nu înseamnă că ambele transformări sunt oxidări.

Anodul și catodul la descărcare

La anod are loc oxidarea. În timpul descărcării, electrodul de plumb metalic este anodul și furnizează electroni circuitului exterior. La catod are loc reducerea, asociată electrodului cu PbO₂.

În funcționarea galvanică de descărcare, anodul este polul negativ, iar catodul este polul pozitiv. Electronii circulă prin circuitul exterior de la electrodul cu plumb spre cel cu dioxid de plumb, atunci când circuitul permite funcționarea.

Definițiile stabile sunt „anod–oxidare” și „catod–reducere”. Semnul electric trebuie legat de modul de funcționare. Nu memora „anodul este întotdeauna pozitiv”, deoarece aceasta nu descrie descărcarea unei surse galvanice.

Semiecuațiile în convenția cu sulfat

O scriere școlară pentru anod este Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻. Plumbul cedează doi electroni. Sarcina stângă este minus doi, iar cea dreaptă este tot minus doi, datorită electronilor.

Pentru catod, forma corespunzătoare este PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O. Plumbul primește doi electroni, iar hidrogenul și oxigenul sunt echilibrați prin protoni și apă.

Sarcina stângă este minus doi plus patru minus doi, adică zero. În dreapta, produsul și apa sunt neutre. Numărarea atomilor oferă câte un plumb, un sulf, șase oxigeni și patru hidrogeni pe fiecare parte.

În descrieri mai detaliate ale electrolitului acid pot apărea ioni hidrogenosulfat. Convențiile conduc la aceeași reacție globală când sunt utilizate consecvent. Nu combina jumătate dintr-o scriere cu jumătate din alta fără verificarea bilanțului.

Reacția globală de descărcare

Prin adunarea semiecuațiilor și eliminarea electronilor, rezultă în forma moleculară uzuală: Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O. Acidul sulfuric este consumat, iar apa este formată în acest bilanț.

Prezentarea OpenStax a acumulatorului cu plumb confirmă această reacție globală și tensiunea de ordinul a doi volți pentru o celulă. Valoarea exactă a unei celule reale depinde de starea și condițiile ei.

Ecuația explică de ce compoziția electrolitului se schimbă în timpul descărcării. Nu descriem acidul doar ca pe un lichid inert care transportă curentul. El apare în bilanțul global al transformării chimice.

Ce se inversează la încărcare

În modelul reversibil, sursa exterioară furnizează energie electrică pentru procesul invers: 2PbSO₄ + 2H₂O → Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄. Se refac plumbul, dioxidul de plumb și acidul sulfuric, în limitele funcționării reale.

La electrodul care reface Pb, plumbul trece de la plus doi la zero și este redus. La cel care reface PbO₂, plumbul trece de la plus doi la plus patru și este oxidat. Rolurile de anod și catod, definite prin reacție, se schimbă față de descărcare.

Nu înseamnă că orice acumulator deteriorat poate fi readus perfect la starea inițială. Reversibilitatea modelului școlar descrie transformarea principală, nu garantează absența degradării, pierderilor sau reacțiilor secundare într-un dispozitiv real.

Tabelul celor două sensuri

Aspect	Descărcare	Încărcare în modelul reversibil
Conversie principală	Energie chimică în electrică	Energie electrică în chimică
Pb metalic	Se consumă prin oxidare	Se reface prin reducere
PbO₂	Se consumă prin reducere	Se reface prin oxidare
PbSO₄	Se formează	Se consumă
Acid sulfuric	Se consumă global	Se reface global

Tabelul este mai ușor de reținut dacă pornești din stările de oxidare zero, plus doi și plus patru. Poți reconstrui fiecare rând, în loc să memorezi separat zece afirmații fără legătură.

Exemplu stoechiometric de descărcare

Într-un exercițiu idealizat se consumă 0,10 mol Pb și există suficient PbO₂ și electrolit. Ecuația cere 0,10 mol PbO₂ și 0,20 mol H₂SO₄. Se formează 0,20 mol PbSO₄ și 0,20 mol apă.

Folosind masele atomice didactice Pb = 207, S = 32, O = 16 și H = 1, masa molară PbSO₄ este 303 g/mol. Masa produsului este 0,20·303 = 60,6 g. Aceasta include contribuții provenite de la ambii electrozi și de la electrolit.

Nu compara masa sulfatului format numai cu masa plumbului metalic consumat și nu concluziona că masa ar fi apărut din nimic. Reacția implică și PbO₂ și acid sulfuric. Bilanțul masei trebuie făcut pentru toți reactanții și produșii.

Celulă și baterie de celule

O singură celulă are o tensiune caracteristică de ordinul a doi volți. Asocierea în serie a mai multor celule adună tensiunile lor în modelul ideal. Șase celule de aproximativ doi volți explică valoarea nominală de aproximativ doisprezece volți a unei baterii uzuale.

Tensiunea nu este aceeași mărime cu intensitatea curentului sau cu energia totală disponibilă. Un număr mai mare de volți nu descrie singur cât timp poate alimenta dispozitivul un consumator. Pentru asemenea calcule ar fi necesare alte date.

Exerciții cu explicații

1. Care reactant se oxidează la descărcare? Pb metalic, deoarece trece de la zero la plus doi. El are rol reducător.

2. Ce se întâmplă cu plumbul din PbO₂? Se reduce de la plus patru la plus doi. PbO₂ are rol oxidant în transformarea globală.

3. Câți moli de acid corespund la 0,25 mol Pb consumat? 0,50 mol H₂SO₄, potrivit raportului doi la unu din ecuația de descărcare.

4. Anodul păstrează aceeași reacție la încărcare? Definiția anodului rămâne oxidarea, dar electrodul fizic care joacă acest rol se schimbă față de descărcare.

Întrebări frecvente

De ce apare PbSO₄ la ambii electrozi?

Plumbul metalic și plumbul din dioxid ajung ambele la starea plus doi, prin oxidare, respectiv reducere. Ambele pot forma sulfatul în mediul considerat.

Electrolitul este doar spectator?

Nu. Acidul sulfuric participă la reacția globală și se consumă la descărcare în modelul principal.

Cum repet eficient această lecție?

Scrie stările de oxidare și reconstruiește cele două sensuri. Exersează pe subiecte BAC, folosind explicații cauzale. Pentru verificare, poți apela la pregătirea de chimie.

Reper curricular: programa oficială de chimie, acumulatorul cu plumb și procese de oxidoreducere.