شارح الدرس: الخلايا الجلفانية الثانوية الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف الخلايا الثانوية، ونفسِّر كيف يمكن إعادة شحنها.

الخلايا الجلفانية أنواع من الخلايا الكهروكيميائية تولِّد فرق جهد من خلال تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي. ويمكن تصنيفها إلى نوعين؛ الخلايا الجلفانية الأوَّلية والخلايا الجلفانية الثانوية. في هذا الشارح، سنركِّز على الخلايا الجلفانية الثانوية.

تعريف: الخلية الجلفانية الثانوية

الخلية الجلفانية الثانوية نوعٌ من الخلايا الكهروكيميائية يمكن أن يعمل باعتباره خلية جلفانية أو خلية إلكتروليتية.

وعلى عكس الخلايا الأوَّلية الأحادية الاستخدام، يمكن إعادة شحن الخلايا الثانوية. وهذا يعني أن هذه الخلية يمكن أن تعمل باعتبارها خليةً جلفانيةً خلال التفريغ، وخليةً إلكتروليتيةً عند إعادة شحنها. من الأمثلة الشائعة على ذلك بطاريةُ السيارة التي يمكن أن تعمل باعتبارها خلية جلفانية عند استخدامها لإدارة محرِّك التشغيل، وخلية إلكتروليتية عند إعادة شحنها عن طريق مولِّد السيارة.

تعريف: التفريغ

التفريغ هو العملية التي تحدث عند استخدام الخلية الجلفانية لتشغيل جهاز خارجي؛ لأنها تولِّد إلكترونات من خلال تفاعل الأكسدة والاختزال.

وهذا الاستخدام الثنائي للخلية هو الأساس الذي تقوم عليه البطاريات القابلة لإعادة الشحن، التي تتطلَّب تمرير تيار مستمر خارجي في الخلية لكي تحدث إعادة الشحن. يُمرَّر التيار المستمر في الاتجاه المعاكس لسريان التيار المار خلال عملية التفريغ. ونتيجةً لذلك، يسير تفاعل الأكسدة والاختزال للمواد الكيميائية في الخلية في الاتجاه المعاكس؛ الأمر الذي يُعيد إنتاج المواد الكيميائية المستخدَمة في التفاعل الابتدائي.

تعريف: إعادة الشحن

إعادة الشحن هي العملية التي تحدث عند تمرير تيار خارجي لعكس التفريغ وتحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة كيميائية.

سنعزِّز الآن فهمنا للخلايا الثانوية من خلال دراسة مثالين: بطارية الرصاص الحمضية، وبطارية أيون الليثيوم.

من الممكن أن توجد بطارية مِركَم الرصاص الحمضية أسفل معظم أغطية محرِّكات السيارات، وتُستخدَم لتشغيل الأضواء ونظام الاشتعال. وتُستخدَم أيضًا مصدرَ طاقةٍ احتياطيًّا في حالات الطوارئ حالَ حدوث قصور في عمل المحرِّك. وعادةً ما يُشار إلى بطارية مِركَم الرصاص الحمضية باسم «بطارية السيارة»، وتتكوَّن عادةً من ست خلايا يبلغ جهدُ كلٍّ منها +2.05 V، ومتصلة على التوالي لتكوين بطارية يبلغ جهد الخلية الكلي لها 12 V تقريبًا.

أجرى العديد من شركات صناعة السيارات تعديلات على تصميم بطاريات السيارات للوصول إلى الأداء الأمثل لها؛ مع ذلك، فجميع بطاريات السيارات لها التركيب نفسه في الأساس. وعادةً ما يُصنَع المصعد والمهبط من ألواح معدنية من الرصاص. تُصنَع هذه الألواح على هيئة تركيب شبكي، وهذا يسمح إما للرصاص الإسفنجي في حالة المصعد وإما لثاني أكسيد الرصاص الرباعي في حالة المهبط، بملء الشبكات.

تعريف: الرصاص الإسفنجي

هو شكل من أشكال فلز الرصاص المقسَّم إلى حبيبات دقيقة والمضغوط، يُستخدَم في صناعة أقطاب بعض الخلايا الثانوية.

وعادةً ما تُوضَع فواصل لوحية لمنع تلامس المصعد مع المهبط. يتكوَّن الإلكتروليت في هذه الخلية من حمض الكبريتيك المخفَّف، HSO24. لدينا ست خلايا إجمالًا، وجميعها مغلَّف بالمطاط والبلاستيك أو بأحدهما، مثل البولي ستايرين؛ لعزل البطارية عن باقي السيارة. فيما يلي مخطَّط لشكل بطارية الرصاص الحمضية النموذجية.

يمكننا فهم كيمياء الخلايا الكهروكيميائية من خلال دراسة المعادلات النصفية التي تحدث عند كل قطب. توجد أنواع مختلفة من المعادلات النصفية، لكن تنتج عنها جميعًا المعادلة النهائية نفسها لبطارية الرصاص الحمضية خلال تفريغها.

عند المصعد، تحدث الأكسدة خلال التفريغ: Pb()+HSO()PbSO()+2H()+2esaqsaq244+ بجهد قطب قياسي مقداره +0.36 V.

وعند المهبط، يُختَزَل ثاني أكسيد الرصاص الرباعي خلال التفريغ: PbO()+HSO()+2H()+2ePbSO()+2HO()224+42saqaqsl بجهد قطب قياسي مقداره +1.69 V.

وإذا دمجنا هاتين المعادلتين النصفيتين، فسنحصل على المعادلة الكلية لخلية بطارية الرصاص الحمضية عندما تعمل باعتبارها خليةً جلفانيةً، وهي: Pb()+PbO()+2HSO()2PbSO()+2HO()ssaqsl22442

يمكننا حساب جهد الخلية القياسي بالطريقة الآتية: 𝐸=𝐸+𝐸=+1.69+0.36=+2.05.ااال،أة،V

مثال ١: تفسير عدم ضرورة وجود قنطرة ملحية أو فاصل مسامي في بطارية الرصاص الحمضية النموذجية

لماذا يكون وجود قنطرة ملحية، أو فاصل مسامي، أو ما يكافئ ذلك غير ضروري لبطاريات الرصاص الحمضية؟

  1. الخلايا الجلفانية الثانوية لا تتطلَّب قنطرة ملحية.
  2. يعمل غلاف البطارية باعتباره قنطرةً ملحيةً تكمل الدائرة الكهربية.
  3. ذرات وأيونات الرصاص أكبر من أن تُمتزَّ من الأقطاب.
  4. يعمل الفاصل المسامي على منع إعادة شحن البطارية.
  5. تَستخدم أنصاف الخلايا الإلكتروليت نفسه.

الحل

بطارية الرصاص الحمضية خلية جلفانية ثانوية شائعة الاستخدام في العديد من السيارات لتشغيل الأنظمة الكهربية.

وعلى الرغم من أن تركيب هذه البطاريات قد يختلف بين الشركات المصنِّعة، لكنها جميعًا تتكوَّن من مجموعة متشابهة من المكوِّنات. في بطارية الرصاص الحمضية، عادةً ما يُصنَع كلٌّ من المصعد والمهبط من الرصاص. يأخذ الرصاص شكل كعكة الوافل؛ الأمر الذي يسمح لشكل آخر من أشكال الرصاص، يُعرَف بالرصاص الإسفنجي، بأن يملأ الفراغات.

عند المصعد، نلاحظ حدوث تفاعل أكسدة بين الرصاص وحمض الكبريتيك. Pb()+HSO()PbSO()+2H()+2esaqsaq244+

وعند المهبط، يحدث تفاعل الاختزال الذي يتطلَّب مرةً أخرى وجود حمض الكبريتيك. PbO()+HSO()+2H()+2ePbSO()+2HO()224+42saqaqsl

يحدث كلا هذين التفاعلين في وجود الإلكتروليت نفسه، وهو حمض الكبريتيك. ولا يلزم أن يكون القطبان منفصلين تمامًا بعضهما عن بعض، ويتدفَّق الإلكتروليت حول كلا القطبين.

بناءً على هذه المعلومات، نستنتج أن الإجابة الصحيحة هي الخيار هـ؛ تَستخدم أنصاف الخلايا الإلكتروليت نفسه.

وعلى الرغم من أننا نعتبر بطاريات الرصاص الحمضية قابلةً لإعادة الشحن في معظم الأغراض العملية، فإن قابليتها للشحن تقل بمرور الوقت، ويجب استبدالها في النهاية.

خلال تفاعل التفريغ، كما رأينا سابقًا في المعادلة الكيميائية الكاملة، تنتج كبريتات الرصاص. تتكوَّن كبريتات الرصاص هذه في الحالة غير المتبلورة أولًا، ويمكن إرجاعها بسهولة إلى الرصاص وثاني أكسيد الرصاص وحمض الكبريتيك عندما ينعكس التفاعل بتمرير تيار خارجي. ولكن مع مرور الوقت، تتحوَّل كميات صغيرة من كبريتات الرصاص هذه بصفة دائمة إلى صورة متبلورة أكثر استقرارًا، وهو ما يقلِّل كمية المادة التي من الممكن أن تشارك في تفاعل الأكسدة والاختزال.

يمكن قياس درجة حدوث ذلك بطريقة غير مباشرة في بطارية مستعملة لسيارة باستخدام جهاز يُعرَف باسم الهيدروميتر (مقياس كثافة السوائل).

تعريف: مقياس كثافة السوائل

يقيس مقياس كثافة السوائل الكثافة النسبية للسوائل، وعادةً ما يكون عليه تدريج يمكن من خلاله قياس الجاذبية النوعية للمواد، مثل حمض الكبريتيك.

وكما ذكرنا سابقًا، فإن البطاريات المختلفة لها قيم مختلفة؛ وعلى سبيل المثال، قد يكون لبطارية الرصاص الحمضية المشحونة بالكامل كثافة تتراوح بين 1.28 g/cm3 و1.30 g/cm3. إذا انخفضت كثافة الحمض في هذه البطارية عن 1.20 g/cm3، فهذا يُشير إلى أن البطارية بحاجة إلى إعادة الشحن.

توضِّح الصورة الآتية كيف يمكن استخدام مقياس كثافة السوائل لقياس الكثافة النسبية لحمض الكبريتيك في بطارية السيارة.

الماء المقطَّر للبطارية

مثال ٢: تحديد متى يجب قياس درجة الشحن في بطارية الرصاص الحمضية وكيفية ذلك

قُورِنَ بين بطاريتَيْ رصاص حمضيتين تبادليتين مُستخدَمتين طفيفًا قبل تركيبهما في سيارة قديمة. وُجِد أن الجاذبية النوعية للبطارية أ تساوي 1.25، والجاذبية النوعية للبطارية ب تساوي 1.19.

  1. ما اسم الأداة العلمية المُستخدَمة لقياس الجاذبية النوعية لحمض الكبريتيك في بطاريات الرصاص الحمضية المُستخدَمة في السيارات؟
    1. مقياس كثافة السوائل
    2. اليوديومتر
    3. مقياس الجاذبية
    4. المانومتر
    5. الدينامومتر
  2. ما البطارية الأقرب إلى أن تكون مشحونة بالكامل؟
    1. البطارية أ
    2. البطارية ب
  3. في أيِّ بطارية يكون تركيز حمض الكبريتيك أقل؟
    1. البطارية ب
    2. البطارية أ

الحل

الجزء الأول

نحتاج إلى أداة محدَّدة لقياس الجاذبية النوعية لحمض الكبريتيك في بطارية الرصاص الحمضية. يقيس مقياس كثافة السوائل الكثافة النسبية للسوائل، ولهذا الاستخدام تحديدًا، يوجد عليه تدريج للجاذبية النوعية.

ومن باب ذكر المعلومة كاملةً، يقيس اليوديومتر حجم الغازات، أما مقياس الجاذبية فيقيس الجاذبية، ويقيس المانومتر ضغط الهواء، وأخيرًا يقيس الدينامومتر عزم الدوران أو القوة.

الجزء الثاني

عندما توشك البطارية أن تكون مشحونة بالكامل، تزيد الجاذبية النوعية لها؛ نظرًا لزيادة تركيز حمض الكبريتيك. وهذا التركيز العالي من حمض الكبريتيك سببه أن تفاعل التفريغ في بطارية الرصاص الحمضية يتضمَّن تفاعل الرصاص وأكسيد الرصاص الرباعي وحمض الكبريتيك معًا. وبذلك نستنتج أن البطارية أ؛ أي الإجابة أ، هي الخيار الصحيح.

الجزء الثالث

كما ذكرنا سابقًا، عندما تقل الجاذبية النوعية للبطارية، يصحب ذلك استهلاك كمية أكبر من حمض الكبريتيك، وبذلك يقل التركيز، وهو ما يعني أن البطارية ب؛ أي الإجابة أ، هي الخيار الصحيح لهذا الجزء من السؤال.

يُمرَّر تيار كهربي مستمر عبر قطبَي بطارية الرصاص الحمضية عند إعادة شحنها باستخدام شاحن بطارية خارجي. ويجب أن تكون الفولتية المطبَّقة أعلى بقليل من الفولتية التي تولِّدها البطارية عندما تعمل باعتبارها خليةً جلفانيةً. يؤدي ذلك إلى حدوث التفاعل الكيميائي في الاتجاه العكسي، وهذا ما توضِّحه المعادلة الآتية: 2PbSO()+2HO()Pb()+PbO()+2HSO()42224slssaq

يتجدَّد الرصاص عند المصعد، ويتجدَّد أكسيد الرصاص الرباعي عند المهبط، ويتجدَّد كذلك إلكتروليت حمض الكبريتيك المائي. ويحدث نفس التأثير الكلي لإعادة الشحن عند استخدام المولِّد، الذي يُعرَف أيضًا في بعض الدول باسم الدينامو، وهذا يعمل على إعادة شحن البطارية شيئًا فشيئًا خلال الحركة عن طريق الآلية نفسها.

أما عن بطارية أيون الليثيوم فهي الخلية الثانوية التالية التي سنتناولها في هذا الشارح.

توجد هذه البطارية المعروفة القابلة لإعادة الشحن في العديد من الأجهزة الإلكترونية المحمولة، مثل الهواتف والحواسيب المحمولة.

يوجد العديد من الأنواع المختلفة من بطاريات أيون الليثيوم. معظم بطاريات أيون الليثيوم هذه خفيفة الوزن نسبيًّا وعمرها الافتراضي طويل، ويمكنها تخزين كمية كبيرة من الطاقة.

وعادةً ما يُصنَع المهبط في بطاريات أيون الليثيوم من مركب أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO2). ويُصنَع المصعد من جرافيت الليثيوم (LiC6). ويوجد عازل بلاستيكي يفصل بين القطبين، لكنه لا يقيِّد حركة أيونات الليثيوم. يتكوَّن الإلكتروليت هنا من سداسي فلورو فوسفات الليثيوم السائل (LiPF6)، الذي يغطِّي القطبين والفاصل.

وكما هو الحال في جميع الخلايا الثانوية، تنعكس قطبية القطبين بناءً على كون الخلية تعمل باعتبارها خلية جلفانية تُفرِغ الشحن أو خلية إلكتروليتية تُعيد الشحن.

يوضِّح الشكل الآتي تركيب بطارية أيون الليثيوم النموذجية. يمكن استخدام الشكل أيضًا لفهم اتجاه حركة الأيونات والإلكترونات خلال التفريغ.

تحدث التفاعلات الآتية خلال التفريغ. يتفكَّك جرافيت الليثيوم إلى جرافيت وأيونات ليثيوم وإلكترونات عند المصعد: LiC()C()+Li()+e66+ssaq

ويتكوَّن أكسيد كوبالت الليثيوم عند المهبط: CoO()+Li()+eLiCoO()2+2saqs

وهذا ينتج عنه التفاعل الكلي لعملية تفريغ بطارية أيون الليثيوم، وهو: LiC()+CoO()C()+LiCoO()6262ssss

تحدث التفاعلات العكسية خلال عملية إعادة الشحن.

وتتفاعل أيونات الجرافيت والليثيوم لتكوين جرافيت الليثيوم مرةً أخرى عند المهبط: C()+Li()+eLiC()6+6saqs

يتكسَّر أكسيد كوبالت الليثيوم إلى CoO2 عند المصعد، ويتحرَّر من هذا التفاعل أيونات من Li+ وإلكترونات: LiCoO()CoO()+Li()+e22+ssaq

إذن التفاعل الكيميائي الكلي لعملية إعادة شحن بطارية أيون الليثيوم هو: C()+LiCoO()LiC()+CoO()6262ssss

على الرغم من أن قيم الفولتية تختلف بناءً على التصنيع الفعلي للخلية، فإن القوة الدافعة الكهربية النموذجية لبطارية أيون الليثيوم يبلغ مقدارها +3 V.

مثال ٣: وصف حركة أيونات الليثيوم عند تفريغ بطاريات أيون الليثيوم

أيُّ عبارة من العبارات الآتية تَصِف بشكل صحيح حركة أيونات الليثيوم خلال تفريغ بطارية أيون الليثيوم؟

  1. من قطب الجرافيت الموجب إلى القطب السالب؛ حيث يتكوَّن مركب ليثيوم
  2. من القطب السالب باعتباره جزءًا من مركب ليثيوم إلى قطب الجرافيت الموجب
  3. من القطب الموجب باعتباره جزءًا من مركب ليثيوم إلى قطب الجرافيت السالب
  4. من قطب الجرافيت السالب إلى القطب الموجب؛ حيث يتكوَّن مركب ليثيوم

الحل

التفاعلات التي تحدث داخل بطارية أيون الليثيوم تفاعلاتٌ انعكاسية، يعتمد اتجاهها على العملية التي تقوم بها البطارية؛ سواء كانت عملية تفريغ أو إعادة شحن.

خلال عملية التفريغ، يتفكَّك جرافيت الليثيوم إلى جرافيت وأيونات الليثيوم وإلكترونات: LiC()C()+Li()+e66+ssaq

تنتقل الإلكترونات عبر الدائرة الكهربية إلى المهبط؛ وهناك تتحد مع أكسيد الكوبالت وأيونات الليثيوم لتكوين أكسيد كوبالت الليثيوم: CoO()+Li()+eLiCoO()2+2saqs

وخلال التفريغ، تعمل البطارية باعتبارها خليةً جلفانيةً؛ حيث تبدأ أيونات الليثيوم عند مصعد الجرافيت السالب، وتنتهي عند مهبط أكسيد الكوبالت الموجب.

إذن الإجابة الصحيحة هي د.

هيا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.

النقاط الرئيسية

  • تختلف الخلايا الثانوية عن الخلايا الأوَّلية؛ يرجع ذلك إلى حقيقة أن الخلايا الثانوية قابلة لإعادة الشحن.
  • خلال التفريغ، تعمل الخلية الثانوية باعتبارها خلية جلفانية.
  • خلال إعادة الشحن، تعمل الخلية الثانوية باعتبارها خلية إلكتروليتية.
  • تتكوَّن بطارية مِركَم الرصاص الحمضية من أقطاب معدنية تحتوي على رصاص إسفنجي في حالة المصعد، وثاني أكسيد الرصاص الرباعي في حالة المهبط.
  • الإلكتروليت المستخدَم في بطارية الرصاص الحمضية هو حمض الكبريتيك.
  • التفاعل الكلي الذي يحدث خلال تفريغ بطارية الرصاص الحمضية هو: Pb()+PbO()+2HSO()2PbSO()+2HO()ssaqsl22442 لكن هذا التفاعل ينعكس خلال إعادة الشحن.
  • يُستخدم مقياس كثافة السوائل لقياس الجاذبية النوعية لحمض الكبريتيك داخل بطاريات الرصاص الحمضية لتحديد مقدار الشحن المتبقي.
  • بطاريات أيون الليثيوم صورة شائعة من الخلايا الثانوية الموجودة في الهواتف والحواسيب المحمولة.
  • خلال التفريغ، يتفكَّك جرافيت الليثيوم إلى أيونات ليثيوم وجرافيت ليصبح مصدرًا للأيونات.
  • عادةً ما يُصنَع المهبط في بطارية أيون الليثيوم من أكسيد كوبالت الليثيوم، LiCoO2.
  • التفاعل الكلي لبطارية أيون الليثيوم النموذجية خلال التفريغ هو: LiC()+CoO()C()+LiCoO()6262ssss وينعكس هذا التفاعل خلال إعادة الشحن.

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