В аккумуляторе вашего автомобиля есть кислота. Едва ли этот факт вас удивил, особенно если вы опытный водитель. Возможно вы даже поправите нас и уточните, что не просто кислота – а электролит. И будете правы.
Еще вы, вероятно, в курсе, что для производства электролита нужна конкретно серная кислота. Но вот почему серная, а не азотная или соляная? И какая именно серная кислота? Да, она бывает разная и не каждая подойдет.
В этой статье разберемся:
- какую роль играет кислота в автомобильном аккумуляторе;
- как это работает с точки зрения химии;
- почему H₂SO₄ – идеальный вариант;
- в чем особенность аккумуляторной кислоты.
Не переживайте: сложно не будет. Мы объясним все простыми словами и без формул.
Как устроен аккумулятор
Если сильно упростить, то аккумулятор – это электроды и электролит.
- Электроды образуют систему, которая позволяет аккумулятору накапливать и отдавать энергию. Они бывают двух типов: положительный и отрицательный.
- Электролит обеспечивает нужную для этого реакцию.
В автомобильном аккумуляторе роль электродов играют пластины из свинца:
- положительная из диоксида свинца PbO₂;
- отрицательная из свинца губчатого Pb.
Электролит же – это раствор серной кислоты в воде.
Поэтому, собственно, аккумуляторы и называются свинцово-кислотными.
Как работает аккумулятор и зачем там кислота
Итак, положительная и отрицательная пластины имеют разный химический состав: PbO₂ и Pb. Благодаря этому между ними возникает напряжение, которое «гонит» электроны по проводам.
Пока автомобиль стоит, это не заметно невооруженным взглядом. Цепь разорвана. Но если вы вставите и повернете ключ, то цепь замкнется, а стартеру понадобится энергия. Аккумулятор готов ее предоставить.
Свинец с отрицательной пластины начинает отдавать электроны. Они бегут по проводам, а диоксид свинца положительной пластины их принимает. Но без помощи серной кислоты они этого не сделают.
Пойдем по цепочке:
- У нас есть свинец, кислота и диоксид свинца.
- В растворе серной кислоты есть много сульфат-ионов и ионов водорода. Когда автомобиль заводят, они начинают участвовать в электрохимическом процессе.
- Сульфат-ионы соединяются со свинцом.
- Параллельно с этим ионы водорода «берут» от диоксида свинца кислород и получается вода.
Чтобы было понятнее – посмотрите на схему.
На схеме, правда, мы сознательно убрали воду, которая была в электролите изначально. Вы ведь помните, что электролит = кислота + вода? Просто в данном случае она бы перегрузила схему.
Вся магия заключается в том, что раствор серной кислоты уже содержит миллиарды свободных заряженных частиц — ионов. Именно они позволяют химической реакции происходить и переносить электрический заряд внутри аккумулятора.
Но если аккумулятор подключить к сети, процесс пойдет в обратную сторону: из сульфатов свинца опять получится свинец и диоксид свинца, а из воды и сульфат-ионов – кислота.
Таким образом, серная кислота выполняет две важные функции:
- Обеспечивает перенос заряда внутри аккумулятора.
- Осуществляет обратный процесс, который позволяет заряжать аккумулятор снова и снова.
Вот такое незаметное химическое чудо под капотом каждого автомобиля.
Как выбирали электроды и электролит
Отлично, мы выяснили, что у каждого вещества своя функция и что работают они нужным образом. Но почему пластины делают из свинца, а не из, допустим, меди. И почему в электролите именно кислота, а не что-то другое?
Посмотрим в XIX век. Это сегодня мы легко можем понять и объяснить, как работает аккумулятор. А тогда ученые искали способ сделать хоть какую-то батарею, которую можно было бы перезаряжать.
Перед учеными стояла непростая задача: подобрать пару «электрод-электролит» таким образом, чтобы оба вещества:
- хорошо проводили электрический ток;
- обеспечивали нужное взаимодействие;
- могли повторять цикл многократно;
- не разрушали друг друга в процессе работы.
А еще: оба вещества должны были быть доступными и недорогими.
Кроме химии существовали и практические ограничения. В распоряжении исследователей тех лет не было такого широкого ассортимента материалов. Их просто не успели открыть или научиться производить в нужном объеме и необходимого качества.
Но даже если ученые нашли бы идеальную пару, она бы оказалась бесполезной, если бы один из компонентов стоил очень дорого. Производители бы не захотели делать сверхдорогую новинку, а промышленники — ее покупать. Нужно было что-то не только эффективное, но и выгодное.
Почему именно свинец и кислота?
Так начался путь экспериментов. Ученые не искали вещества по отдельности, а искали именно пару. Проще говоря, поиски велись одновременно, перебором разных пар.
На роль электродов рассматривали металлы и их соединения. Они были знакомы и доступны, а главное, почти все хорошо проводили электричество.
В качестве электролитов пробовали растворы кислот, солей и других проводящих жидкостей.
Давайте, как электрохимики XIX, попробуем перебрать разные варианты. Подумаем об электродах.
- Серебро и платину сразу отметаем – слишком дорого.
- Возьмем железо. Оно дешевле, прочное и хорошо проводит электричество. Но если окунуть его в любой электролит – заржавеет и перестанет работать как электрод. Не подходит.
- Попробуем алюминий. Он, конечно, не окисляется, но покрывается плотной оксидной пленкой. Нужной реакции так не добиться.
- Медь идеально проводит электричество, но практически не подходит для обратимого накопления энергии. Идем дальше.
- Цинк сперва работал хорошо, но быстро пришел в негодность после нескольких циклов.
Параллельно поищем электролит.
- Начнем с солей. Те, что окисляют металл, не подходят. Например, нитрат натрия или хлорид натрия мы точно не возьмем.
- Попробуем взять сульфат натрия. Из него получится отличный проводящий раствор. Но в нем нет необходимых ионов водорода.
- Посмотрим на растворы кислоты. Они тоже хорошо проводят электричество, так что посмотрим на них.
- Соляную не берем, в ней тоже есть хлор – враг металлов.
- Азотная сама по себе — сильный окислитель. Не годится.
- Может уксусная или фосфорная? Но они недостаточно хорошо проводят электричество.
Идеальное сочетание
Вот таким образом мы перебирали все доступные варианты, пока не нашли рабочий тандем: свинец и раствор серной кислоты.
Мы обнаружили превращение, которое рассматривали в начале статьи. Это то, что нам было нужно:
- Раствор серной кислоты дает много активных ионов, значит, хорошо проводит ток.
- Образование сульфата свинца – обратимый процесс. Значит аккумулятор можно зарядить.
- Свинец не боится разбавленной серной кислоты. Пленка сульфата защищает его от разрушения.
- Серная кислота и свинец дешевы и доступны.
Другие пары такой синергии не дают. Поэтому эта комбинация выиграла, а человечество получило аккумулятор.
Появится еще много нового. Химики научатся использовать другие металлы, создадут механизм щелочных аккумуляторов и еще много чего. Однако свинцово-кислотные аккумуляторы не исчезли. Конечно, сегодня они гораздо совершеннее, чем в XIX веке, но в основе все та же химическая реакция.
Чем отличается аккумуляторная серная кислота
У любой кислоты много вариантов применения помимо изготовления аккумуляторов. Ей травят металлы, используют в сельском хозяйстве, проводят опыты…
Для производства электролита нужна особенная, аккумуляторная.
Она отличается от технической строгим составом. Любое лишнее вещество убьет батарею. Поэтому в аккумуляторной кислоте их просто нет либо они сведены к минимуму и строго контролируются.
Поэтому аккумуляторная серная кислота — это не просто еще один вид кислоты. Это специально очищенный материал, без которого привычный автомобильный аккумулятор просто не смог бы работать надежно и долго.
А если вам нужна именно такая — обращайтесь к нам. Наш филиал в Москве ждет ваших сообщений и звонков по будням с 8:00-16:00.
Телефон: +7 (495) 134-93-90 или 8 (800) 511-33-04
Почта: info@ezhp.ru