شارح الدرس: الخلايا الجلفانية الثانوية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

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.

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.

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.

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.

وعادةً ما تُوضَع فواصل لوحية لمنع تلامس المصعد مع المهبط. يتكوَّن الإلكتروليت في هذه الخلية من حمض الكبريتيك المخفَّف، . 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: بجهد قطب قياسي مقداره +0.36 V.

وعند المهبط، يُختَزَل ثاني أكسيد الرصاص الرباعي خلال التفريغ: 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:

يمكننا حساب جهد الخلية القياسي بالطريقة الآتية:

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).

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.

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:

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 (). ويُصنَع المصعد من جرافيت الليثيوم (). ويوجد عازل بلاستيكي يفصل بين القطبين، لكنه لا يقيِّد حركة أيونات الليثيوم. يتكوَّن الإلكتروليت هنا من سداسي فلورو فوسفات الليثيوم السائل ()، 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:

ويتكوَّن أكسيد كوبالت الليثيوم عند المهبط:

وهذا ينتج عنه التفاعل الكلي لعملية تفريغ بطارية أيون الليثيوم، وهو:

تحدث التفاعلات العكسية خلال عملية إعادة الشحن.

وتتفاعل أيونات الجرافيت والليثيوم لتكوين جرافيت الليثيوم مرةً أخرى عند المهبط:

يتكسَّر أكسيد كوبالت الليثيوم إلى عند المصعد، ويتحرَّر من هذا التفاعل أيونات من وإلكترونات:

إذن التفاعل الكيميائي الكلي لعملية إعادة شحن بطارية أيون الليثيوم هو:

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

هيا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.