Какая кислота содержится в аккумуляторе

Практически каждый владелец автомобиля знает, что в автомобильном аккумуляторе есть кислота, но далеко не каждый может сказать, какие функции она выполняет. Из этой статьи мы узнаем, какая кислота в аккумуляторе автомобиля, для чего она нужна и как правильно приготовить электролит.

Какая кислота в аккумуляторе

Практически во всех свинцово-кислотных аккумуляторах, а именно они стоят в автомобилях в качестве стартерных, используется серная кислота (формула — H2SO4) или, как ее еще называют автомобилисты, аккумуляторная кислота.

Серная кислота для аккумуляторов 

Но заливается она в батареи не в чистом виде, а в виде водного раствора, который называется электролитом. Примерное соотношение кислоты к воде составляет 3:7 (30% концентрированной кислоты, 70% воды). Для приготовления электролита используется дистиллированная вода, очищенная от солей и других примесей, существенно ухудшающих качество раствора.

Важно! Нередко можно услышать, что в автомобильные аккумуляторы некоторых типов заливается соляная кислота. Это неверно.  Свинцово-кислотных аккумуляторов, работающих на соляной кислоте, не существует.

Для чего она нужна

Кислота является важной частью аккумулятора. Она участвует в химических реакциях окисления и восстановления с электродами, благодаря чему возникает ЭДС. При зарядке батареи и подаче на нее обратной ЭДС эта же кислота позволяет аккумулятору накопить получаемую энергию, обеспечивая обратные химические реакции.

Какие процессы протекают при заряде и разряде

Чтобы лучше понять, для чего нужна серная кислота, рассмотрим химические реакции, протекающие в аккумуляторе во время его работы и зарядки.

Как известно, аккумулятор имеет два электрода – анод и катод. Первый изготовлен из диоксида свинца (PbO2), второй — из металлического свинца (Pb). Оба электрода, естественно, погружены в электролит.

Упрощенная конструкция свинцово-кислотного аккумулятора 

При подключении к АКБ нагрузки (режим разряда) начинается  реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца. В это время происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции.

Электрохимические реакции в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде) 

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде АКБ происходит обратный процесс.

Даже в нормальном режиме в процессе работы батареи некоторая часть воды разлагается на газообразный водород и кислород, но при нарушении условий эксплуатации (чрезмерный разрядный или зарядный ток) электролиз усиливается, и вода необратимо теряется.

Состав электролита и как его приготовить в домашних условиях

Обычно электролит заливают в батарею при ее изготовлении, но в некоторых случаях, к примеру, при покупке сухозаряженного обслуживаемого аккумулятора, раствор кислоты заливается самим покупателем, то есть нами. Прежде чем электролит залить, его нужно приготовить.

То, что в свинцовом аккумуляторе серная кислота, мы выяснили, что ее нужно разбавить водой – тоже. Знаем даже пропорции, но очень примерные. То, какой плотности электролит заливать, будет зависеть от климатических условий, в которых будет эксплуатироваться батарея, и от плотности исходного электролита. Поэтому с понятием плотности придется познакомиться поближе.

Итак, плотность чистой серной кислоты равняется 1.83 г/см3. То есть один миллилитр концентрированной серной кислоты будет весить 1.83 грамма. Плотность воды – 0.998 г/см3 (цифры для температуры +20 °С). Если смешать кислоту с водой, то плотность электролита будет зависеть от соотношения компонентов. Таким образом, совсем не нужно отмерять нужное количество жидкостей, достаточно во время приготовления электролита контролировать его плотность.

Более того, при приготовлении электролита пересчитывать плотность в процентное соотношение кислоты к воде вообще не нужно, поскольку в документации на все аккумуляторные батареи  производитель указывает необходимую концентрацию электролита именно в единицах плотности.

Как измерить плотность электролита

Для измерения плотности жидкости используются специальные приборы – ареометры. Автомобилистами используются два основных типа ареометров: постоянной массы и многопоплавковые.

Ареометр постоянной массы (слева) и многопоплавковый

Первый тип представляет собой поплавок со шкалой в верхней его части и грузом в нижней. Такой прибор просто опускается в жидкость (в нашем случае электролит). Чем плотность электролита выше, тем на меньшую глубину погрузится поплавок. Показания же плотности считываются со шкалы в зависимости от глубины погружения.

Принцип работы ареометра постоянной массы

Важно. Для аккумулятора такой ареометр не подходит – его не опустишь в банку. Поэтому автомобильные ареометры дополняются специальным «шприцем» с относительно тонкой иглой для забора электролита из банки.

Автомобильный ареометр постоянной массы 

Что касается многопоплавкового типа, то принцип его работы тот же, но поплавков несколько (обычно 7). Каждый из них имеет определенную плавучесть, заставляющую его всплывать при той или иной плотности жидкости.

Работают с прибором так: забирают в него электролит (он тоже в виде шприца) и определяют плотность по последнему всплывшему поплавку — каждый из них отмаркирован своей плотностью всплывания. Недостаток такой конструкции очевиден – это очень низкая точность измерения.

Плотность электролита примерно 1.23 г/см3

С понятием плотности разобрались, пора готовить электролит. Для этого нам понадобится серная кислота и дистиллированная вода. Первую можно купить в автомагазине, вторую – в любой аптеке или в крайнем случае сделать самому, использовав перегонный куб (самогонный аппарат).

Какую кислоту использовать? В продаже обычно можно встретить разбавленную серную кислоту, так называемую автомобильную. Ее плотность составляет 1.42 г/см3. Если в нашем распоряжении окажется концентрированная серная кислота (плотность 1.83 г/см3), то подойдет и она, но работать с такой кислотой нужно очень осторожно – она прожигает одежду и кожу мгновенно.

Чистая серная кислота тоже подойдет для приготовления электролита

Теперь определим примерные пропорции, чтобы по 20 раз не перемешивать и не измерять плотность, «вылавливая» нужную концентрацию. Для этого воспользуемся табличками, приведенными ниже.

Пропорции воды к серной кислоте плотностью 1.83 г/см3

Пропорции воды к серной кислоте плотностью 1.42 г/см3

Какое количество электролита понадобится? В аккумуляторах емкостью 55-75 А/ч залито от 2,6 до 3,7 литров электролита в зависимости от емкости и конструкции батареи.

Теперь нужно решить, какая плотность раствора должна быть в нашем аккумуляторе. Она зависит от климатических условий, в которых будет эксплуатироваться автомобиль. Для определения оптимальной плотности конкретно для наших условий воспользуемся еще одной табличкой.

Зависимость плотности электролита полностью заряженной батареи от температуры эксплуатации

Готовить электролит будем в кислотостойкой (к примеру, стеклянной) посуде, перемешивать стеклянной палочкой. Из средств защиты нужны очки, перчатки и по возможности прорезиненный фартук.

Льем только кислоту в воду!

Итак, отливаем необходимое количество воды в емкость. Теперь отмеряем нужное количество серной кислоты и аккуратно с небольшой высоты вливаем ее в воду тонкой струйкой. Льем очень медленно, поскольку при быстром вливании может произойти разбрызгивание. Кроме того, в процессе химических реакций температура раствора быстро поднимается, и стеклянный сосуд может лопнуть от резкого перепада температур.

После этого тщательно, но не спеша, перемешиваем раствор и ждем, пока он не остынет до комнатной температуры, иначе показания ареометра будут неверными. Делаем забор электролита в ареометр и измеряем плотность. Если она отличается от желаемой, добавляем воду или кислоту (если плотность высокая – воду, если низкая – кислоту).

Важно! Воду доливаем в электролит только при помощи шприца ареометра! Забираем в него небольшое количество воды, опускаем иглу глубоко в электролит и потихоньку выжимаем воду грушей.

Снова перемешиваем раствор, остужаем и только потом, еще раз проконтролировав плотность, заливаем в аккумуляторную батарею.

Вот мы и узнали, для чего в аккумуляторе электролит, какой плотности он должен быть, и даже сможем самостоятельно его приготовить.

Многие автолюбители задают себе вопрос о том, какая кислота залита в аккумуляторе автомобиля. По незнанию высказываются различные неверные предположения. Кто-то говорит, что там соляная кислота. Некоторые считают, что там вода. Пора внести ясность в этот вопрос. В свинцово-кислотном аккумуляторе автомобиля залита серная кислота. Если выражаться совсем точно, то залит раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Этот раствор получил название электролит.

Применение серной кислоты и её сорта

Вообще, в качестве электролита в некоторых видах автомобильных аккумуляторов может использоваться щёлочь. Например, никель-кадмиевый или никель-железный тип АКБ. Есть ещё группа гелевых аккумуляторов AGM и GEL, где электролит находится в связанном состоянии. Но это тот же раствор серной кислоты. Просто он либо переведён в гелеобразное состояние с помощью добавок (GEL), либо им пропитано стекловолокно (AGM). Наиболее распространёнными на сегодняшний день остаются свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы с жидким электролитом. Поэтому речь пойдёт именно о водном растворе серной кислоты, предназначенном для заливки в АКБ.

Серная кислота используется в самых разных отраслях народного хозяйства. К примеру, с её помощью очищается поверхность металла перед нанесением покрытия, она используется при приготовлении различных синтетических красителей. Кроме того, серная кислота востребована в сфере производства удобрений, взрывчатки, фармакологической промышленности, переработке нефти.

Серная кислота нашла широкое применение при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов для автомобилей. Концентрация кислоты в электролите составляет 30-35 процентов (вес.). Остальное дистиллированная вода. Использовать обычную водопроводную воду нельзя, поскольку в ней содержатся соли различных металлов. Их попадание в аккумулятор автомобиля значительно сократит срок его службы.

В бытовой сфере концентрации Н2SO4 в 30 процентов достаточно, но в сфере производства часто используется серная кислота более высокой концентрации. Концентрированную серную кислоту получают в две стадии. На первой стадии концентрация доводится до 70 процентов, а затем увеличивают до 98 процентов. Серная кислота такой концентрации наиболее пригодна для последующего хранения. Возможно, получение концентрации 99 процентов, но в дальнейшем из-за потери SO3 она снижается до 98,3 процента.

Существуют основные сорта серной кислоты, которые перечислены ниже:

• Башенная или нитрозная. Концентрация 75 процентов. Плотность этого сорта составляет 1,67 гр/см3. Название этот сорт получил из-за метода производства в футерованных башнях нитрозным способом. Обжиговый газ с двуокисью серы (SO2) обрабатывается нитрозой (H2SO4 с добавками оксидов азота). В ходе химической реакции получается оксиды азота и кислота. При этом оксиды постоянно циркулируют в производственном цикле;
• Контактная. Концентрация от 92,5 до 98 процентов. Плотность сорта составляет 1,837 гр/см3. Этот сорт также производится из обжигового газа, в котором содержится двуокись SO2. В ходе реакции происходит ее окисление до SO3 при контакте с твёрдым катализатором из ванадия;
• Сорт Олеум. Концентрация 104,5 процента. Плотность составляет 1,897 гр/см3. Сорт представляет собой раствор SO3 в серной кислоте (H2SO4). Соотношение SO3 — 20 процентов, H2SO4 — 104,5 процента;
• Высокопроцентный олеум. Концентрация 114,6 процента, а плотность 2,002 гр/см3;
• Аккумуляторная. Концентрация от 92 до 94 процента, а плотность 1,835 гр/см3.

Вернуться к содержанию

Процессы, происходящие в АКБ с участием электролита

Работа свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора основывается на электрохимических процессах, которые протекают с участие электролита. Аккумулятор автомобиля состоит из положительных и отрицательных пластин, погруженных в водный раствор серной кислоты. Положительные и отрицательные пластины имеют токоотводящие решётки из свинца с различными добавками в зависимости от типа аккумулятора.

На решётках положительных электродов нанесён красновато-коричневый диоксид свинца (PbO2). На отрицательных электродах — сероватый порошок свинца (Pb). Электрические характеристики аккумулятора напрямую зависят от плотности электролита. Для понимания назначения электролита нужно рассмотреть основные процессы, происходящие в аккумуляторе автомобиля.

При разряде аккумулятор на положительном электроде (аноде) идёт следующая реакция:

PbO2 + SO42− + 4H+ + 2e− -> PbSO4 + 2H2O

На отрицательном электроде (катоде) протекает такой процесс:

Pb + SO42− − 2e− ->PbSO4

При заряде АКБ эти реакции протекают в обратном направлении.

Электролит в свинцово-кислотном автомобильном аккумуляторе имеет разную плотность в зависимости от степени заряженности АКБ. Как уже говорилось выше, концентрированная кислота аккумуляторного сорта имеет плотность 1,835 гр/см3. Плотность электролита на заряженном аккумуляторе лежит в диапазоне 1,127─1,300 гр/см3. При разрядке аккумулятора автомобиля в результате электрохимической реакции из электролита расходуется серная кислота и его плотность падает. Пока через батарею проходит ток разряда кислота рядом с электродами расходуется в результате вышеописанной реакции. Идёт диффузия H2SO4 из объёма к электродам. Таким образом, поддерживается напряжение на выводах аккумулятора.

В начале разрядки процесс диффузии кислоты в электроды. Это объясняется тем, что в активной массе электродов поры ещё не забиты сульфатом. По мере того, как на них образуется слой сульфата и забивает поры, процесс диффузии притормаживается. В теории процесс разряда может идти до того момента, пока электролит не превратится в воду. Но на практике разряд идёт до тех пор, пока плотность не опуститься до значения 1,15 гр/см3. К моменту падения плотности до 1,15 гр/см3 выделяется столько сульфата свинца, что его хватило для закупоривания активной массы пластин. По плотности электролита можно судить о степени заряженности АКБ. Для этого можно использовать таблицу, представленную ниже.

Полностью заряженный элемент АКБ автомобиля выдаёт напряжение 2,5─2,7 вольт без нагрузки на выводах. При подключении нагрузки напряжение проседает до 2,1 вольта за несколько минут. За это время успевает сформироваться слой PbSO4 на поверхности отрицательных электродов. То есть, напряжение одного элемента на подключённой к автомобилю АКБ составляет примерно 2,15 вольта.

Если разряжать аккумулятор автомобиля небольшим током (10 процентов от номинальной ёмкости), то через час разрядки напряжение элемента снижается до 2 вольт. Это происходит из-за того, что в этом момент быстро формируется большое количество PbSO4, который забивает поры активной массы. В результате растёт внутреннее сопротивление элементов АКБ и падает концентрация электролита. Через некоторое время процесс разрядки выходит на прямую (см. график).

Эта прямая соответствует балансу плотностью электролита около электродов и в остальном объёме. Постепенно кислота поступает из объёма к электродам и вступает в реакцию с выделением сульфата свинца. Плотность электролита постепенно снижается, а напряжение падает медленнее, чем на начальной стадии. И на конечной стадии, когда активная масса блокируется образовавшимся сульфатом свинца, реакция замедляется и напряжение быстро падает.
Вернуться к содержанию
 

Контроль за состоянием электролита в АКБ?

От владельца автомобиля требуется периодически контролировать уровень электролита в аккумуляторе и его плотность. Для контроля уровня электролита можно использовать стеклянную трубочку. Если её под рукой нет, то можно использовать прозрачный пластиковый корпус от старой шариковой ручки. Для измерения уровня электролита отворачиваете пробки банок батареи и погружаете трубочку до пластин. Затем с верхнего конца плотно зажимаете пальцем и поднимаете. Уровень электролита в трубочке должен составлять 10─12 миллиметров.

В случае нехватки электролита долейте дистиллированной воды до необходимого уровня. Лучше покупайте дистиллированную воду в аптеке. В автомобильных магазинах под видом дистиллированной воды часто продают обычную водопроводную. Выше требуемого уровня воды также заливать не следует. В необслуживаемых автомобильных аккумуляторах (ссылка на материал) доливка дистиллированной воды не требуется. У них сниженный расход воды и они, как правило, имеют крышку с системой рециркуляции электролита.

Внимание! Не допускайте эксплуатации аккумуляторной батареи с уровнем электролита ниже верхней части пластин. Это значительно сокращает срок его службы.

Для того, чтобы измерить плотность Вам потребуется ареометр. Это приспособление представляет собой запаянную стеклянную трубку, в которой находиться ртуть или дробь. На верхнем конце ареометра имеется градуированная шкала. Диапазон измерений плотности 1,100─1,300 гр/см3. Ареометр помещён в разборную колбу с грушей.

Вам нужно опустить нижнюю часть в банку и набрать электролита. После этого вынимаете и смотрите, на каком значении находится уровень электролита. Сам ареометр будет плавать в электролите наподобие поплавка. На некоторых моделях ареометров шкала со значениями может быть заменена надписями «Полный заряд», «Половина», «Разряжен».

Вернуться к содержанию
 

Как поднять плотность электролита?

Выше уже говорилось о том, что в результате гидролиза воды и нагрева АКБ под капотом уровень электролита постепенно уменьшается и растёт его плотность. Поэтому периодически нужно доливать дистиллированной воды. А что, если плотность электролита на заряженном аккумуляторе автомобиля, наоборот, меньше нормы (1,275 гр/см3)? Тогда нужно поднять концентрацию кислоты.

Внимание! Во время работ с кислотой одевайте резиновые перчатки и защитные очки. Если вы будете самостоятельно разводить электролит из концентрированной кислоты и дистиллированной воды, помните, что нельзя наливать воду в кислоту. В этом случае начинается реакция гидратации с выделением большого количества тепла. В результате вода закипает и провоцирует брызги кислоты, что очень опасно. Поэтому при разбавлении нужно лить кислоту в воду.

При поднятии плотности электролита может быть два варианта. Если средняя плотность по всем банкам не ниже 1,2 гр/см3, то нужно поднять плотность постепенным разбавлением.

Для каждой из банок нужно проделать следующие действия:

• Откачиваете как можно больше электролита из банки. Для этого можно использовать резиновую грушу или ту же колбу. После этого в банку заливаете электролит (плотность 1,275─1,29 гр/см3) половину откачанного объёма;
• Для того чтобы электролит перемешался, можно дать на выводы нагрузку (например, подключить автомобильную лампочку) или просто подождать некоторое время;
• Затем делаете замер плотности. Если она не поднялась до нужного уровня, то заливаете электролит в половину от оставшегося объема;
• Перемешивание и снова замер;
• Доводите плотность кислоты до требуемого уровня.

Если плотность электролита ниже 1,2 гр/см3, то здесь уже нужно его менять полностью. То есть, сливать старый и заливать новый, требуемой плотности. Но, если электролит имеет такую низкую плотность в заряженном состоянии, то возникают сомнения в целесообразности его дальнейшего использования. В этом случае электролит имеет смысл менять только если АКБ относительно новая (до года). Иногда встречаются аккумуляторы автомобиля с такой плотностью электролита прямо из магазина. Если это уже отработавшая несколько лет батарея, то лучше купить новую. При утилизации аккумуляторов отработа?