Ắc quy chì axit trong xe máy, ô tô là một loại pin sạc lại được. Khi phóng điện, chì ở cực âm và chì đioxit ở cực dương cùng phản ứng với axit sunfuric loãng để tạo ra chì sunfat và nước; khi nạp điện, dòng điện từ ngoài đẩy phản ứng chạy ngược lại. Mỗi ngăn cho khoảng 2 vôn, nên ắc quy 12 vôn có sáu ngăn nối tiếp.
Ắc quy chì là ví dụ rất đẹp cho phần pin điện hoá và điện phân ở lớp 12, vì trong cùng một thiết bị có cả hai quá trình. Bài viết các phương trình đã kiểm cân bằng, giải thích những hiện tượng thợ sửa xe hay nhắc như ắc quy "bị chai", "cạn nước", vì sao khi nạp phải thông gió, và vì sao ắc quy hỏng phải đưa đi tái chế đúng nơi.
Cấu tạo bên trong một ngăn ắc quy
Mỗi ngăn ắc quy có hai nhóm bản cực đặt xen kẽ, ngăn cách bằng tấm cách điện xốp. Bản cực âm làm bằng chì xốp. Bản cực dương là khung chì phủ chì đioxit PbO2, có màu nâu sẫm. Cả hai ngâm trong dung dịch axit sunfuric loãng, đóng vai trò chất điện li. Các ngăn được nối tiếp với nhau bên trong vỏ nhựa, hai cọc ngoài cùng là cực dương và cực âm mà bạn thấy trên nóc ắc quy.
Loại ắc quy mà thợ gọi là "ắc quy nước" có nắp từng ngăn để kiểm tra mức dung dịch. Loại hay gọi là "ắc quy khô" hay ắc quy kín khí thực ra vẫn có axit bên trong, nhưng axit được giữ trong tấm sợi thuỷ tinh hoặc ở dạng gel, và vỏ thiết kế để khí sinh ra được tái hợp lại phần lớn. Tên "khô" là cách gọi thị trường, không có nghĩa là không có chất điện li.
Vì có axit sunfuric và chì, ắc quy không phải là thứ để mở ra xem bên trong. Mọi mô tả cấu tạo trong bài là để hiểu; thao tác bảo dưỡng, thay, nạp ắc quy nên để thợ có dụng cụ và đồ bảo hộ làm.
Phản ứng khi phóng điện, từng điện cực một
Cực âm: chì bị oxi hoá. Pb + SO4 2- → PbSO4 + 2e. Chì có số oxi hoá 0 chuyển lên +2 trong chì sunfat, nhường hai electron cho mạch ngoài. Kiểm: một nguyên tử Pb, một gốc SO4 ở hai vế; điện tích vế trái là -2, vế phải là 0 cộng hai electron, cũng là -2.
Cực dương: chì đioxit bị khử. PbO2 + 4H+ + SO4 2- + 2e → PbSO4 + 2H2O. Chì từ số oxi hoá +4 xuống +2. Kiểm: Pb 1 và 1; O là 2 + 4 = 6 bên trái, 4 + 2 = 6 bên phải; H là 4 và 4; S là 1 và 1; điện tích bên trái +4 - 2 - 2 = 0, bên phải 0. Đúng.
Phản ứng tổng. Cộng hai nửa: Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O. Kiểm: Pb 2 và 2; S 2 và 2; O là 2 + 8 = 10 bên trái, 8 + 2 = 10 bên phải; H là 4 và 4. Đây là phản ứng mà cả chất khử lẫn chất oxi hoá đều là hợp chất của chì, chỉ khác số oxi hoá.
Dung dịch loãng dần khi dùng. Phản ứng phóng điện tiêu thụ axit sunfuric và sinh ra nước, nên dung dịch loãng dần, khối lượng riêng giảm. Thợ dùng tỉ trọng kế đo khối lượng riêng dung dịch để đoán mức nạp của ắc quy nước. Đây là cách "đọc" phản ứng hoá học bằng một phép đo vật lý.
Khi nạp điện: điện phân đẩy phản ứng chạy ngược
Nạp điện là dùng nguồn điện ngoài có điện áp cao hơn ắc quy để ép phản ứng đi theo chiều ngược lại: 2PbSO4 + 2H2O → Pb + PbO2 + 2H2SO4. Chì sunfat ở cực âm bị khử về chì, chì sunfat ở cực dương bị oxi hoá thành chì đioxit, axit sunfuric được tái tạo và dung dịch đặc trở lại. Lúc này ắc quy đóng vai trò bình điện phân chứ không còn là pin.
Trên xe máy, ô tô, máy phát hoặc bộ sạc của xe tự nạp lại ắc quy khi động cơ chạy. Vì thế xe đi thường xuyên ít khi hết ắc quy, còn xe để lâu không nổ máy thì ắc quy cạn dần do tự phóng điện chậm và do các thiết bị điện tử trên xe vẫn tiêu thụ một dòng nhỏ.
Khi ắc quy đã gần đầy mà vẫn tiếp tục nạp, phần năng lượng dư không còn chì sunfat để chuyển hoá. Dòng điện bắt đầu điện phân nước trong dung dịch: 2H2O → 2H2 + O2. Kiểm: H 4 và 4; O 2 và 2. Khí hiđro thoát ra ở cực âm và khí oxi ở cực dương. Đây là nguồn gốc của hai chuyện thợ hay nhắc: ắc quy nước bị "cạn nước", và nơi nạp ắc quy phải thông thoáng.
Những hiện tượng thường gặp và giải thích hoá học
Các câu thợ sửa xe hay nói đều có cơ sở hoá học. Bảng dưới đặt chúng cạnh nhau.
| Hiện tượng | Giải thích | Ý nghĩa với người dùng |
|---|---|---|
| Ắc quy nước bị cạn | Nước bị điện phân thành hiđro và oxi khi nạp, và bay hơi một phần | Phần mất đi là nước, nên khi bổ sung thợ dùng nước cất, không thêm axit |
| Ắc quy bị chai, sunfat hoá | Để ắc quy cạn lâu, chì sunfat kết tinh thành tinh thể lớn, cứng, khó chuyển hoá lại khi nạp | Không để xe chết ắc quy quá lâu; xe ít đi nên nổ máy định kỳ hoặc tháo cọc theo hướng dẫn |
| Cọc bình có bột trắng xanh | Hơi axit thoát ra phản ứng với kim loại ở cọc, kẹp tạo muối | Gây tiếp xúc kém; để thợ vệ sinh, đeo găng, không chạm tay trần |
| Ắc quy yếu khi trời lạnh | Phản ứng hoá học chậm lại ở nhiệt độ thấp, điện trở trong tăng | Đề máy buổi sáng lạnh khó hơn là bình thường với ắc quy đã yếu |
| Bình bị phồng, nóng | Nạp quá mức hoặc hư hỏng bên trong, sinh nhiều khí và nhiệt | Ngừng nạp, đưa đi kiểm tra ngay |
Dòng đầu là điểm hay bị làm sai nhất ở ngoài đời. Vì phần mất là nước, châm thêm axit làm dung dịch quá đặc và hỏng ắc quy. Việc châm nước cũng nên để thợ làm, vì phải mở nắp ngăn có axit.
Ắc quy chì và pin lithium trên xe điện: cùng nguyên lý, khác lựa chọn
Xe đạp điện, xe máy điện ở Việt Nam dùng cả ắc quy chì axit lẫn pin lithium-ion. Về nguyên lý, cả hai đều là pin điện hoá sạc lại được: một phản ứng oxi hoá – khử chạy theo một chiều khi xe chạy và bị đẩy ngược lại khi cắm sạc. Khác biệt nằm ở vật liệu, và vật liệu quyết định các đặc điểm người dùng cảm nhận được.
Chì là kim loại rất nặng, nên với cùng một lượng điện tích trữ được, ắc quy chì nặng và cồng kềnh hơn nhiều so với pin lithium-ion. Đó là lý do xe dùng ắc quy chì thường có hộp ắc quy to dưới yên. Đổi lại, ắc quy chì là công nghệ lâu đời, cấu tạo đơn giản, chịu được dòng lớn và quy trình tái chế chì đã rất hoàn chỉnh khi làm đúng cách. Pin lithium nhẹ hơn, trữ được nhiều năng lượng hơn trên mỗi ki-lô-gam, nhưng cần mạch quản lý pin để kiểm soát sạc và nhiệt độ.
Với người học, câu hỏi "vì sao lithium cho pin nhẹ hơn" là một bài tập suy luận hay: lithium là kim loại nhẹ nhất và rất dễ nhường electron, nên mỗi gam vật liệu mang được nhiều điện tích hơn và cho điện thế cao hơn. Bài này không so sánh để khuyên chọn loại xe nào; đó là quyết định của người mua dựa trên nhu cầu và hướng dẫn của nhà sản xuất.
An toàn với ắc quy chì axit
Ắc quy chì chứa hai mối nguy: axit sunfuric ăn mòn và chì độc, cộng thêm khí hiđro dễ cháy nổ khi nạp. Những nguyên tắc sau rút ra trực tiếp từ hoá học ở trên.
- Nạp ở nơi thông thoáng, tránh lửa và tia lửa điện. Hỗn hợp hiđro và oxi sinh ra khi nạp quá mức có thể bắt lửa. Không hút thuốc, không để đồ kim loại chạm chập hai cọc.
- Không tự mở ắc quy, không tự pha hay châm axit. Axit sunfuric gây bỏng da, mắt. Bảo dưỡng ắc quy nước để thợ có đồ bảo hộ làm.
- Nếu bị dính dung dịch ắc quy: rửa ngay bằng nhiều nước sạch chảy liên tục, cởi bỏ quần áo dính, dính vào mắt thì rửa lâu và đi cấp cứu. Phần sơ cứu hoá chất có bài riêng ở danh mục an toàn hoá chất của trang.
- Trẻ em không chơi gần ắc quy, kể cả ắc quy cũ để trong góc nhà.
- Ắc quy hỏng phải đưa đến nơi thu gom, tái chế đúng quy định. Chì là kim loại nặng độc; nấu chì thủ công gây ô nhiễm đất, không khí và hại sức khoẻ người sống quanh đó. Nhiều cửa hàng ắc quy nhận lại bình cũ khi thay bình mới.
Bài này dừng ở hiểu biết và an toàn. Mọi thao tác kỹ thuật với ắc quy xe nên theo hướng dẫn của nhà sản xuất xe và thợ có chuyên môn.
Ôn phần ắc quy chì với AI: tự viết, tự kiểm, nhờ soát
Câu hỏi về ắc quy chì xuất hiện trong phần pin điện hoá và điện phân. Một vòng luyện tập gợi ý:
- Tự viết hai nửa phản ứng khi phóng điện, xác định số oxi hoá của chì trong Pb, PbO2, PbSO4.
- Cộng hai nửa thành phản ứng tổng, đếm nguyên tử và điện tích như các ví dụ trong bài.
- Gửi cho AI và hỏi: "Kiểm các phương trình sau về ắc quy chì axit. Chỉ ra phương trình nào chưa cân bằng hoặc sai số oxi hoá, không viết lại toàn bộ."
- Hỏi câu suy luận: "Vì sao khi ắc quy phóng điện, khối lượng riêng của dung dịch giảm? Hãy hỏi gợi ý trước khi giải thích."
- Hỏi câu vận dụng: "Vì sao khi bổ sung cho ắc quy nước người ta dùng nước cất chứ không thêm axit?" Tự trả lời bằng phản ứng điện phân nước trước khi đọc câu trả lời.
Lỗi AI hay gặp ở đề tài này: viết PbSO4 ở cực dương nhưng quên ion H+, đưa ra phương trình tổng thiếu hệ số 2, hoặc nhầm cực âm, cực dương khi chuyển từ phóng sang nạp. Đếm nguyên tử từng vế là cách nhanh nhất để bắt lỗi.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao ắc quy 12 vôn lại có sáu ngăn?
Mỗi ngăn ắc quy chì axit cho điện thế khoảng 2 vôn, do cặp chì và chì đioxit trong axit sunfuric quyết định. Muốn có khoảng 12 vôn cho hệ thống điện của xe, nhà sản xuất nối tiếp sáu ngăn trong cùng một vỏ.
Ắc quy khô có phải là không có axit không?
Không. Ắc quy thường gọi là khô hay kín khí vẫn có axit sunfuric, nhưng axit được giữ trong tấm sợi thuỷ tinh hoặc ở dạng gel và vỏ được làm kín. Vì vậy vẫn phải tránh làm vỡ vỏ, tránh để gần lửa và đưa đi tái chế đúng nơi khi hỏng.
Vì sao để xe lâu không đi thì ắc quy bị hỏng hẳn?
Ắc quy tự phóng điện chậm và các thiết bị trên xe vẫn dùng một dòng nhỏ. Khi ắc quy cạn lâu ngày, chì sunfat kết tinh thành tinh thể lớn, cứng, gọi là sunfat hoá, khó chuyển ngược lại khi nạp. Dung lượng giảm vĩnh viễn, gọi là ắc quy bị chai.
Khí sinh ra khi nạp ắc quy có nguy hiểm không?
Có. Khi nạp quá mức, nước trong dung dịch bị điện phân thành khí hiđro và oxi. Hỗn hợp này dễ cháy nổ khi gặp lửa hoặc tia lửa điện. Vì vậy nơi nạp ắc quy phải thông thoáng, tránh lửa, và không để vật kim loại làm chập hai cọc.
Viết phương trình tổng của ắc quy chì khi phóng điện thế nào cho đúng?
Phương trình tổng là Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O. Hai vế đều có 2 nguyên tử chì, 2 lưu huỳnh, 10 oxi và 4 hiđro. Khi nạp điện, phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại nhờ dòng điện từ bên ngoài.
Ắc quy cũ nên xử lý thế nào?
Đưa đến cửa hàng ắc quy hoặc điểm thu gom có chức năng tái chế, nhiều nơi nhận lại bình cũ khi bạn thay bình mới. Không đập vỏ lấy chì, không đổ axit ra đất, không bán cho nơi nấu chì thủ công vì chì và axit gây ô nhiễm nặng.