تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: الخلايا الجلفانية الأولية الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف الخلايا الجلفانية الأولية، ونوضِّح كيفية إنتاجها للطاقة الكهربية.

الخلية الجلفانية نظامٌ يُنتِج الطاقة الكهربية من التفاعلات الكيميائية التلقائية. تُعَد البطارية المنزلية الشائعة أحد أمثلة الخلية الجلفانية. توفِّر التفاعلات الكيميائية داخل البطارية الطاقة لتشغيل الأجهزة الإلكترونية. وبعد استهلاك جميع المتفاعلات، تصبح البطارية غير قادرة على توفير الطاقة. في بعض الأحيان، نُفرِّق بين الخلايا الجلفانية «الأولية» والخلايا الجلفانية «الثانوية». تُستخدَم الخلية الجلفانية الأولية مرة واحدة، ويُتخلَّص منها، في حين يمكن إعادة شحن الخلية الجلفانية الثانوية وإعادة استخدامها.

تعريف: الخلايا الجلفانية الأولية

الخلايا الجلفانية الأولية خلايا كهروكيميائية تُستخدَم مرةً واحدة فقط؛ حيث تتولَّد الإلكترونات تلقائيًّا خلال تفاعل الأكسدة والاختزال؛ وتمر هذه الإلكترونات عبر دائرة كهربية خارجية.

لفهم كيف تولِّد الخلايا الجلفانية الأولية الطاقة الكهربية، نُلقي نظرةً على التفاعلات الكيميائية المتضمَّنة. تعتمد الأجهزة الإلكترونية على الحركة المنسقة للإلكترونات. نُسمِّي تدفُّق الشحنة الناتج عن الإلكترونات المتحرِّكة تيارًا كهربيًّا. ويتم تشغيل الأجهزة الإلكترونية بالتيار الكهربي الذي تستخدمه هذه الأجهزة لتؤدي وظيفتها.

تعريف: التيار الكهربي

التيار الكهربي هو تدفُّق الشحنة الكهربية.

تُولِّد تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث داخل الخلية الجلفانية الأولية تدفُّق الإلكترونات التي تُشكِّل التيار الكهربي. تفاعلات الأكسدة والاختزال تفاعلات كيميائية تنتقل فيها الإلكترونات من متفاعل إلى آخر. ولفهم الخلية الجلفانية، علينا أن نفهم كيف تتدفَّق الإلكترونات داخلها.

يحدث تفاعل أكسدة نصفي عند المصعد، ويحدث تفاعل اختزال نصفي عند المهبط. وتترك الإلكترونات المصعد وتتدفَّق عبر الدائرة الكهربية وتصل إلى المهبط. أثناء حدوث ذلك، يمكن أن يُشغِّل تدفُّق الشحنة الأجهزة؛ مثل ألعاب الأطفال أو الساعات الرقمية.

نُلقي نظرةً أكثر تفصيلًا على نوع معيَّن من الخلايا الجلفانية الأولية، وهي بطارية الزئبق. لم تَعُد تُنتَج هذه البطاريات بشكل شائع بسبب سُميِّة الزئبق، لكن كيمياءها تُعطي مثالًا جيدًا على كيفية عمل الخلية الجلفانية الأولية.

تتكوَّن خلية الزئبق من مهبط من أكسيد الزئبق، ومصعد من الزنك، بالإضافة إلى إلكتروليت هيدروكسيد البوتاسيوم. يُوصَّل المهبط بقاعدة البطارية، ويُوصَّل المصعد بالغطاء. تُصمَّم الأجهزة، مثل معدات التصوير، التي تَستخدم بطاريات الزئبق، بطريقة تسمح بتدفُّق الإلكترونات من المصعد عبر الغطاء، وعبر أي نظام دوائر كهربية في الجهاز، ثم تعود مرةً أخرى إلى القاعدة والمهبط. ويسمح العازل الموجود في منتصف البطارية بحمل الشحنة عبره لإكمال الدائرة، لكنه يحُول دون اختلاط وتفاعل المواد الكيميائية الموجودة في الجانبين المتقابلين.

نُلقي نظرةً على التفاعلات الكيميائية المنفردة في بطارية الزئبق. عند المصعد، يتحد الزنك مع أيونات الهيدروكسيد لتكوين أكسيد الزنك والماء وإلكترونين: Zn()+2OH()ZnO()+HO()+2esaqsl2

وعند المهبط، يتفاعل أكسيد الزئبق مع الماء والإلكترونين لتكوين الزئبق وأيونات الهيدروكسيد: HgO()+HO()+2eHg()+2OH()sllaq2

ومن ثَمَّ، سيكون التفاعل الكلي للخلية: Zn()+HgO()ZnO()+Hg(),Vsssl𝐸=+1.35ا

يكون لهذه البطارية عمر افتراضي محدود؛ لأنه لا يمكن عكس التفاعلات بسهولة. نبدأ بكمية من أكسيد الزئبق في المهبط وفلز الزنك في المصعد. تتحوَّل هذه المواد الكيميائية تدريجيًّا إلى زئبق سائل وأكسيد زنك؛ حيث تُسحب الطاقة من الخلية. وبمجرد أن ننتج الزئبق وأكسيد الزنك، لا يمكن تحويل هذه النواتج إلى المتفاعلات الأولية مرةً أخرى داخل البطارية. وبمجرد استنفاد المتفاعلات، يتم التخلص من البطارية وتُستخدم بطارية جديدة.

مثال ١: حساب جهد القطب بمعلومية جهد الخلية وجهد القطب الآخر

الفولتية الكلية لخلية الزئبق تساوي +1.35 V. بالنظر إلى جهد القطب الآتي: HgO()+HO()+2eHg()+2OH()Vsllaq2,𝐸=+0.0977

ما جهد اختزال قطب الخلية الآخر؟ قرِّب إجابتك لأقرب 4 منازل عشرية.

الحل

في هذا السؤال، لدينا الفولتية الكلية للخلية، وتُعرَف أيضًا بجهد الخلية. لدينا أيضًا أحد جهدَي القطبين. المطلوب منا حساب جهد القطب الآخر.

توضِّح المعادلة الرئيسية لحل هذه المسألة أن جهد الخلية يساوي الفرق بين القطبين المنفردين: 𝐸=𝐸𝐸.ااالااالا

يُخزَّن أكسيد الزئبق في مهبط خلية الزئبق، إذن القيمة التي تساوي +0.0977 V المُعطاة في المسألة تساوي جهد قطب المهبط. باستخدام هذه القيمة وجهد الخلية، نوجد قيمة جهد اختزال قطب المصعد. إذا عوَّضنا بالقيمتين المُعطاتين في المسألة، يمكننا التوصُّل إلى الحل الصحيح باستخدام علم الجبر: +1.35=+0.0977𝐸𝐸=+0.09771.35=1.2523.VVVVVاالااالا

مثال ٢: تحديد التفاعل النصفي عند مهبط خلية جلفانية

أيُّ التفاعلات الآتية يُمثِّل المعادلة النصفية للتفاعل الذي يحدث عند المهبط في خلية الزئبق؟

  1. HgO+HO+2eHg+2OH2
  2. Hg(OH)HgO+2OH+HO422
  3. Hg+4OHHg(OH)+2e42
  4. Zn+HgOZnO+Hg
  5. Hg+2OHHgO+HO+2e2

الحل

هذا السؤال يطلب منا تحديد التفاعل النصفي الذي يحدث عند المهبط في خلية زئبق. إحدى المعلومات المهمة التي يجب معرفتها هي أن مهبط خلية الزئبق يحتوي على أكسيد الزئبق الثنائي، HgO.

المعلومة المهمة الأخرى هي أن المهبط هو القطب الذي يحدث عنده الاختزال. فإن الإلكترونات تتدفَّق من المصعد إلى المهبط؛ ولذا، سيكون التفاعل عند المهبط تفاعل اختزال يتضمَّن استقبال الإلكترونات من الدائرة الكهربية.

ما خيار الإجابة الذي يوضِّح اختزال أكسيد الزئبق؟

لاختزال أكسيد الزئبق، يجب أن يكون أكسيد الزئبق أحد المتفاعلات في المعادلة. أكسيد الزئبق أحد المتفاعلات في الخيار (أ) والخيار (د)، لكنه ليس كذلك في الخيارات (ب)، (ج)، (هـ). من بين الخيارين (أ)، (د) اللذين يوضِّحان أن أكسيد الزئبق يُختزل إلى زئبق، يتضمَّن الخيار (د) فلز الزنك من المصعد أيضًا. يمثِّل الخيار (د)، تفاعل أكسدة واختزال كاملًا، ويمثِّل الخيار (أ) التفاعل النصفي الذي يحدث عند المهبط تحديدًا.

إذن الخيار (أ) هو الإجابة الصحيحة. فعند المهبط، يتحد أكسيد الزئبق مع الماء والإلكترونين لتكوين فلز الزئبق وأيونَي هيدروكسيد.

خلية الوقود نوعٌ معيَّن من الخلايا الجلفانية يمكن إعادة ملء متفاعلاته للسماح بتوليد الطاقة توليدًا مستمرًّا. يُزوِّد النوع الأكثر شيوعًا من خلايا الوقود، خلية الوقود الهيدروجينية، بغاز الهيدروجين وغاز الأكسجين للأكسدة والاختزال، على الترتيب، لتوليد الطاقة الكهربية. تختلف خلايا الوقود عن غيرها من الخلايا الجلفانية؛ لأنها لا تُخزِّن الطاقة. ويتطلَّب تشغيلها إمدادًا مستمرًّا بالوقود وإزالة النواتج باستمرار.

تعريف: خلية الوقود

هي نوع من أنواع الخلايا الجلفانية يمكن إعادة ملء مركباته المتفاعلة.

تحظى خلايا الوقود بأهمية كبيرة في مجال النقل؛ لأنها أكثر كفاءةً من محرِّك الاحتراق الداخلي المعتاد الموجود في السيارة. يُحوِّل محرِّك الاحتراق بشكل أساسي الطاقة الكيميائية الموجودة في الجازولين إلى طاقة حركية لتشغيل مكابس المحرِّك؛ لكن خلال الاحتراق، تُفقَد بعض الطاقة في صور أخرى مثل الحرارة أو الصوت. ويُستفاد بنجاح بـ 3035% تقريبًا من الطاقة الكيميائية الموجودة في الجازولين، ويتم بها تشغيل السيارة.

وبالمقارنة، فإن خلية الوقود تُحوِّل الطاقة الكيميائية بكفاءة أكبر بمقدار يصل إلى 60% من الطاقة التي تحوَّلت بنجاح. وتكون نواتج المخلفات المباشرة الوحيدة لخلية الوقود الهيدروجينية هي الماء والحرارة، في حين تُنتج محرِّكات الاحتراق العديد من الملوثات الضارة التي يمكن أن تؤثِّر على تغيُّر المناخ وصحة الجهاز التنفسي.

تَستخدم المركبات الفضائية أيضًا خلايا الوقود المزودة بغاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. فإن نواتج المخلفات المباشرة الوحيدة لخلية الوقود هي الحرارة وبخار الماء الذي يمكن تكثيفه وإعادة استخدامه مياهًا صالحة للشرب لرواد الفضاء.

نُلقي نظرةً فاحصة على كيمياء خلية الوقود الهيدروجينية.

تعتمد الخلايا الجلفانية على تفاعلات الأكسدة والاختزال وتدفُّق الإلكترونات التي تنتجها هذه التفاعلات لتشغيل الأجهزة. في حالة خلية الوقود الهيدروجينية، يتأكسد غاز الهيدروجين ويُختزل غاز الأكسجين.

في خلية الوقود الهيدروجينية المعتادة، يكون كلٌّ من المصعد والمهبط على هيئة وعاء مجوَّف مُبطَّن بكربون مسامي يسمح بالاتصال بين الحجرة الداخلية والإلكتروليت الذي يمكن أن يكون محلولًا مائيًّا من هيدروكسيد البوتاسيوم أو محلولًا حمضيًّا من حمض الكبريتيك.

في حالة وجود محلول إلكتروليتي من KOH، عند المصعد، يُمَدُّ النظام بغاز الهيدروجين ويفقد الإلكترونات لتكوين أيونات الهيدروجين التي تتفاعل مع أيونات الهيدروكسيد الموجودة في الإلكتروليت، وهو ما يُكوِّن جزيئات الماء: 2H()+4OH()4HO()+4e,V22gaqg𝐸=+0.83أة

عند المهبط، تَختزِل نواتج التفاعل السابق غاز الأكسجين الذي يكون في أغلب الأحيان من الهواء لتكوين أيونات الهيدروكسيد. وفي بعض الحالات، تُستخدَم أسطوانة أكسجين نقي مضغوطة بدلًا من ذلك: O()+2HO()+4e4OH(),V22ggaq𝐸=+0.40أال

تتحد هذه التفاعلات لترسل إلكترونات عبر الدائرة الكهربية، لتوفير الطاقة الكهربية. وبدمج المعادلتين النصفيتين، يكون التفاعل الكلي لهذا النوع من خلية الوقود الهيدروجينية هو: 2H()+O()2HO(),V222ggg𝐸=+1.23ا

نواتج المخلفات المباشرة الوحيدة هي الحرارة والماء، ويمكن إضافة هيدروجين إضافي لتوليد الطاقة توليدًا مستمرًّا.

مثال ٣: استخدام اتجاه التيار في خلية وقود هيدروجينية لتحديد القطب الذي يحدث عنده التأكسد

يُمثِّل الشكل الآتي خلية وقود هيدروجينية.

بالنظر إلى اتجاه الإلكترونات في الجزء العلوي من الدائرة الكهربية، الموضَّح بالسهم الأحمر، ما الغاز المار في الأنبوب (أ)؟

  1. الهيدروجين
  2. الأكسجين
  3. البخار

الحل

يطلب منا هذا السؤال تحديد الغاز الذي يدخل من الجانب الأيسر لخلية الوقود الهيدروجينية. في هذا الشكل، يمكننا أن نلاحظ أن الإلكترونات تتحرَّك من الجانب الأيسر للخلية إلى الجانب الأيمن.

سيفقد الغاز الذي يُمَدُّ في الجانب الأيسر من هذه الخلية الإلكترونات. وهذه الإلكترونات ستتحرَّك عبر الدائرة الكهربية، في الاتجاه المشار إليه بالسهم الأحمر. وفي الجانب الأيمن، سيستقبل الغاز الآخر هذه الإلكترونات.

الخيار (ج) غير صحيح؛ لأن البخار يمكن أن يكون أحد نواتج هذا التفاعل، لكنه ليس أحد المتفاعلات الأولية. فالغازان اللذان يتم بهما إمداد خلية الوقود الهيدروجينية هما غاز الهيدروجين وغاز الأكسجين. الشيء الوحيد المتبقي هو تحديد الغاز الذي يتأكسد والغاز الذي يُختزل.

الهيدروجين هو الغاز الذي يتأكسد ويفقد الإلكترونات، ويُكوِّن أيونات H+، أما الأكسجين فهو الغاز الذي يُختزَل ويستقبل الإلكترونات، ويُكوِّن أيونات O2. ستتحرَّك الإلكترونات من جانب خلية الوقود الذي يحتوي على غاز الهيدروجين تجاه جانب خلية الوقود الذي يحتوي على غاز الأكسجين.

إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ)، الهيدروجين.

مثال ٤: تصنيف خلايا الوقود الهيدروجينية

في خلايا الوقود الهيدروجينية، يُمكِن توليد شحنة كهربية توليدًا مستمرًّا.

  1. أيُّ نوع من الخلايا تُصنَّف إليه خلية الوقود الهيدروجينية؟
    1. خلية فولتية
    2. خلية إلكتروليتية
  2. لماذا لا تُفرَّغ خلية الوقود ولا تنفد مثل الخلايا التي تُستخدَم مرة واحدة مثل خلية الزئبق؟
    1. تعمل خلايا الوقود بكفاءة عالية في مُعظَم الأجهزة.
    2. يتفكَّك الماء الناتج ويُعاد استخدامه.
    3. لها إمداد مستمر من الوقود.
    4. يُعاد شحن خلية الوقود من خلال الجهاز أثناء عملها.
    5. يُعاد تدوير الهيدروجين والأكسجين غير المُتفاعِلَيْن.

الحل

الجزء الأول

الخلية الإلكتروليتية خلية تُحوِّل الطاقة الكهربية إلى طاقة كيميائية. ومن الأمثلة على ذلك نظام الطلاء الكهربي، الذي تعمل فيه بطارية على تكوين فلز صلب من محلول. الخلية الفولتية خلية تحوِّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية. ومن الأمثلة على ذلك، البطارية التي تستخدم تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية لتشغيل الأجهزة.

تأخذ خلية الوقود الهيدروجينية الطاقة الكيميائية من غاز الهيدروجين وتحوِّلها إلى طاقة كهربية. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ)، وهو الخلية الفولتية.

الجزء الثاني

هذا السؤال يطلب منا تحديد السبب الذي يؤدي إلى عدم نفاد طاقة خلايا الوقود الهيدروجينية. لاحظ أن العديد من خيارات الإجابة هذه عبارات صحيحة، لكنها قد لا تكون السبب المحدد لتوفير خلية الوقود طاقة مستمرة.

أولًا، الإجابة (د) غير صحيحة. ففي حين تُستخدم بعض البطاريات، مثل البطاريات الموجودة في السيارات الكهربية، الطاقة لإعادة الشحن، فإن خلية الوقود الهيدروجينية خلية جلفانية أولية ولا يُعاد شحنها.

بعد ذلك، الإجابة (أ) غير صحيحة. فخلايا الوقود يمكن أن تعمل بكفاءة، لكن حتى مصادر الطاقة الأكثر كفاءة يمكن أن ينفد شحنها.

الإجابة (هـ) غير صحيحة أيضًا. فإن المواد المعاد تدويرها ستطيل زمن توليد الطاقة، لكن حتى المواد المعاد تدويرها ستنفد.

الإجابة (ب) أيضًا غير صحيحة. فعلى الرغم من أن هناك بعض العمليات التي تسمح لنا بتفكيك الماء إلى غازَي الهيدروجين والأكسجين، فإن هذه العمليات لا تحدث في خلية الوقود نفسها لتوفير إمداد فوري بالمتفاعلات.

إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج): لها إمداد مستمر من الوقود. فبإضافة المزيد من غاز الهيدروجين إلى خلية الوقود، يمكننا التأكد من أنها ستولِّد طاقة حتى يُستهلك الهيدروجين، وعند هذه النقطة يمكننا ببساطة إضافة المزيد من الهيدروجين.

تُسمَّى الفولتية أو فرق الجهد الكهربي الموجود في بطارية أيضًا باسم «جهد الخلية». يمكننا حساب جهد الخلية بإيجاد الفرق بين جهدَي القطبين المنفردين، اللذين يُسمَّيان أيضًا بجهدَي الاختزال.

تعريف: جهد الخلية القياسي

جهد الخلية القياسي هو الفرق في الجهد الكهربي الذي يوجد بين خليتين نصفيتين في ظل الظروف القياسية (محاليل تركيزها 1 M، وغازات ضغطها 1 atm، ودرجة حرارة قياسية مقدارها 25C).

تعريف: جهد الاختزال القياسي

جهد الاختزال القياسي هو الفرق في الجهد بين قطب الهيدروجين القياسي والخلية النصفية، في ظل الظروف القياسية المحددة (محاليل تركيزها 1 M، وغازات ضغطها 1 atm، ودرجة حرارة قياسية مقدارها 25C)؛ حيث يُظهِر جهد الاختزال الأكثر إيجابيةً ميلًا أكبر إلى استقبال الإلكترونات.

ستُفَقد الإلكترونات عند أي مصعد وتُستقبَل عند أي مهبط، لكن لا تفعل جميع المصاعد والمهابط هذا بالشدة نفسها. سيكون لتفاعل الأكسدة الذي يحدث بسهولة تامة عند المصعد جهد اختزال سالب للغاية، وهو ما يعني أن الإلكترونات ستنفصل بسهولة. وعلى الجانب الآخر، سيكون لتفاعل الاختزال الذي يحدث بسهولة تامة عند المهبط جهد اختزال موجب للغاية.

عند تساوي جميع الأشياء، يعني الفرق الكبير بين جهدَي الاختزال فولتية كبيرة؛ حيث تغادر العديد من الإلكترونات ذات الطاقة العالية البطارية في أي لحظة. ويعني الفرق الصغير في جهد الاختزال فولتية صغيرة وتيارًا كهربيًّا أضعف. فكِّر كيف تتدحرج كرة من حالة طاقة وضع مرتفعة من قمة تل إلى حالة طاقة وضع منخفضة إلى أسفل التل؛ بالطريقة نفسها ستتحرَّك الإلكترونات من موضعها العالي الطاقة غير المستقر عند المصعد إلى الموضع المنخفض الطاقة الأكثر استقرارًا عند المهبط. وجدير بالملاحظة أن توصيلية السلك تؤثِّر أيضًا على شدة التيار، لكن مناقشة التوصيلية تقع خارج نطاق هذا الشارح.

في حالة وجود محلول إلكتروليتي من حمض الكبريتيك، توضِّح المعادلة الآتية كيف يكون جهد اختزال المهبط في خلية وقود هيدروجينية في ظل ظروف حمضية +1.23 V: O()+4H()+4e2HO()V2+2gaqg,𝐸=+1.23

أثناء ذلك، يكون لتأكسد الهيدروجين جهد اختزال يساوي 0 V: H()2H()+2eV2+gaq,𝐸=0

وجهد الاختزال هذا يساوي 0 V، لكن هذا لا يعني أنه لا توجد قوة كهربية تؤثِّر على الأقطاب. اختير تأكسد الهيدروجين عشوائيًّا ليكون النقطة المرجعية التي تساوي صفرًا على مقياس جهود الأقطاب النسبية.

يمكن حساب الفولتية الكلية للبطارية، المعروفة أيضًا باسم جهد الخلية القياسي، على أنها الفرق بين جهدَي الاختزال: 𝐸=𝐸𝐸=+1.230=+1.23.ااالااالاVVV

ستتدفَّق الإلكترونات من القطب ذي جهد الاختزال الأقل (المصعد) إلى القطب ذي جهد الاختزال الأكبر (المهبط). وكلما زاد الفرق في جهد الاختزال، زاد جهد الخلية، وزادت الطاقة التي تحملها الإلكترونات عبر الدائرة الكهربية.

معادلة: حساب جهد الخلية لخلية جلفانية

جهد الخلية لخلية جلفانية يساوي الفرق بين جهدَي اختزال المهبط والمصعد، كما هو موضَّح في المعادلة الآتية: 𝐸=𝐸𝐸.ااالااالا

نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.

النقاط الرئيسية

  • الخلية الجلفانية الأولية بطاريةٌ غير قابلة لإعادة الشحن تُنتِج طاقة كهربية من تفاعلات كيميائية.
  • التفاعلات الكيميائية في خلايا الوقود الأولية تفاعلات أكسدة واختزال؛ حيث تنتقل الإلكترونات من متفاعل إلى آخر.
  • في بطارية الزئبق، يُختزل أكسيد الزئبق ويتأكسد الزنك لتوليد تدفُّق من الإلكترونات عبر الدائرة الكهربية.
  • خلايا الوقود نوعٌ معين من الخلايا الجلفانية التي يمكن إعادة ملء متفاعلاتها لتوفير مصدر طاقة مستمر.
  • في خلية الوقود الهيدروجينية، يتأكسد غاز الهيدروجين ويُختزل غاز الأكسجين لتوليد تيار كهربي. وتكون نواتج المخلفات الوحيدة هي الحرارة والماء.
  • يمكن أن يكون الإلكتروليت في خلية الوقود الهيدروجينية حمضيًّا أو قلويًّا؛ لكن في كلتا الحالتين، يساوي جهد الخلية +1.23 V.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.