فيديو الدرس: الخلايا الجلفانية الأولية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف الخلايا الجلفانية الأولية، ونوضح كيفية إنتاجها للطاقة الكهربية. في الجزء الأول من هذا الفيديو، سوف نعرف كيف تنتج الطاقة الكهربية من الخلايا المستخدمة في الأجهزة الكهربية المحمولة التي نراها في الحياة اليومية.

الأجهزة الكهربية المحمولة، مثل كشافات الجيب والكشافات اليدوية، تستمد الطاقة اللازمة لها من التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا الكهربية. وعادة ما يشار إلى الخلايا الكهربية بالبطاريات، رغم أن البطارية، بصورة دقيقة، هي عدة خلايا متصلة معًا. الخلية الجلفانية الأولية هي خلية كهروكيميائية مصممة للاستخدام مرة واحدة؛ حيث تولد الإلكترونات خلال تفاعل أكسدة واختزال تلقائي. فعندما تكتمل الدائرة الكهربية داخل الكشاف اليدوي بإغلاق المفتاح، تتدفق الإلكترونات خلال الدائرة الكهربية نتيجة لتفاعلات كيميائية تلقائية تحدث داخل الخلايا. وينتج عن تدفق الإلكترونات تيار كهربي. ونظرًا لأن الإلكترونات تحمل شحنة كهربية، فإن التيار الكهربي هو مقياس لمعدل تدفق الشحنة الكهربية.

التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل كل خلية تعرف باسم «تفاعلات الأكسدة والاختزال». وفي تفاعلات الأكسدة والاختزال، تنتقل الإلكترونات من نوع كيميائي إلى آخر. لذلك، فإن تفاعلات الأكسدة والاختزال تتضمن أنواعًا تتأكسد وأخرى تختزل. فإذا تأكسد نوع، فإنه يفقد إلكترونات (خسارة). وإذا اختزل نوع، فإنه يكتسب إلكترونات (فوز). ويمكن تذكر الأكسدة والاختزال بسهولة بربطهما بحرفي السين والزاي في الكلمتين «خسارة» و«فوز».

غالبًا ما تزود الكشافات اليدوية بالطاقة عن طريق خلايا الزنك-كربون الرخيصة نسبيًّا. وتحتوي هذه الخلايا على غلاف من الزنك. وفي التفاعلات التي تشغل هذه الخلايا، يفقد الزنك إلكترونات. إذن، غلاف الزنك هو موضع الأكسدة. في الخلية الجلفانية، يكون موضع الأكسدة هو القطب السالب. وأحيانًا، يشار إليه بالمصعد. فالإلكترونات تنتقل من القطب السالب إلى قطب الكربون؛ وهو القطب الموجب في هذه الخلية. وفي الخلية الجلفانية، يكون القطب الموجب هو موضع الاختزال. ويعرف بالمهبط أحيانًا.

مهبط الكربون يجمع الإلكترونات، وتحيط به عجينة تحتوي على ثاني أكسيد المنجنيز. وثاني أكسيد المنجنيز يكتسب الإلكترونات في تفاعل الاختزال. وعمومًا، تتدفق الإلكترونات في هذه الخلايا من مصعد الزنك إلى مهبط الكربون. وبالطبع، تتدفق الإلكترونات خلال المصباح، وهو ما يجعله يضيء. تستمر التفاعلات الكيميائية داخل الخلية حتى تستهلك المتفاعلات كلها. فغلاف الزنك يصبح أقل سمكًا؛ حيث يتحول الزنك إلى أيونات زنك في الإلكتروليت داخل الخلية. كما أن التركيب الكيميائي لعجينة ثاني أكسيد المنجنيز يتغير أيضًا في تفاعل الاختزال. وبمرور الوقت، تضعف إضاءة المصباح، وأخيرًا تصبح الخلية مستهلكة أو فارغة. وهي تستخدم مرة واحدة فقط. ويتم التخلص منها أو يعاد تدويرها لاستعادة أي مكونات ذات قيمة.

هذه هي الطريقة التي تعمل بها الخلايا الجلفانية الأولية. فالتفاعلات الكيميائية التي تحدث تلقائيًّا بداخلها ليست انعكاسية. لذا، عندما يتوقف الكشاف اليدوي عن العمل، فإن الخلايا التي بداخله لا يمكن إعادة شحنها.

في الجزء الثاني من هذا الفيديو، سنتناول بالتفصيل نوعًا محددًا من الخلايا الجلفانية الأولية، وهو خلية الزئبق، لكي نفهم كيف تتدفق الإلكترونات داخلها.

تتكون خلية الزئبق من علبة من الصلب تكون بمثابة وعاء بالنسبة إلى الخلية، لكنها أيضًا تلامس أكسيد الزئبق الثنائي، وصيغته هي ‪HgO‬‏. هذا الجزء من الخلية يمثل القطب الموجب أو المهبط، وهو الموضع الذي يحدث عنده تفاعل الاختزال. وغطاء هذه الخلية يلامس فلز الزنك، وهو يمثل القطب السالب للخلية. والقطب السالب أو المصعد في هذه الخلية هو الموضع الذي يحدث عنده تفاعل الأكسدة. عليك دائمًا تذكر موضعي حدوث كل من الاختزال والأكسدة. المهبط هو موضع الاختزال، والمصعد هو موضع الأكسدة.

ويوجد عازل مسامي يمنع اختلاط المواد الكيميائية في المصعد والمهبط. يحتوي العازل المسامي على إلكتروليتات تتيح حركة الأيونات، ومن ثم الشحنة، لتكتمل الدائرة الكهربية عندما تكون البطارية أو الخلية قيد التشغيل. لتفادي حدوث دائرة قصيرة داخل الخلية، يتم فصل المصعد عن المهبط باستخدام عازل. ويحتوي العازل أيضًا على المواد الكيميائية التي تمنع تسرب المواد الكيميائية منهما.

دعونا الآن نتناول التفاعلات الكيميائية التي تحدث في هذه الخلية والفولتية التي تولدها. عند المصعد أو القطب السالب في هذه الخلية، تفقد الإلكترونات. ويحدث تفاعل أكسدة. ففلز الزنك يتأكسد إلى أكسيد الزنك. وعند القطب الموجب أو المهبط في هذه الخلية، يدخل أكسيد الزئبق الثنائي في تفاعل اختزال. فأكسيد الزئبق الثنائي يختزل إلى زئبق، وهو فلز سائل في هذه الخلية. وبجمع المعادلتين النصفيتين، نحصل على التفاعل الكلي الذي يحدث داخل هذه الخلية. فلز الزنك يتفاعل مع أكسيد الزئبق الثنائي لينتج أكسيد الزنك والزئبق.

عندما جمعنا المعادلتين النصفيتين، حذفنا مولي أيونات الهيدروكسيد الموجودين بأحد طرفي كل معادلة من المعادلتين النصفيتين. وهذا ما حدث أيضًا مع المول الواحد من جزيئات الماء السائل الموجود في أحد الطرفين بكل معادلة لدينا. لقد حذفنا الإلكترونات أيضًا؛ حيث شارك مولان من الإلكترونات في عملية الأكسدة، وشارك مولان من الإلكترونات في عملية الاختزال.

لكي نحسب جهد الخلية القياسي ‪𝐸⊖‬‏، أي القوة الدافعة الكهربية للخلية أو الفولتية الناتجة عن هذه الخلية، علينا أن نعرف جهد الاختزال القياسي للمهبط وجهد الاختزال القياسي للمصعد. إننا ببساطة نطرح جهد الاختزال القياسي للمصعد من جهد الاختزال القياسي للمهبط. تم قياس جهدي الاختزال القياسيين باستخدام قطب الهيدروجين القياسي في الظروف القياسية. وتم اعتبار الجهد الكهربي لقطب الهيدروجين القياسي يساوي صفرًا.

جهد الاختزال القياسي للمصعد في هذه الخلية هو سالب 1.25 فولت. وفي هذه الخلية، جهد الاختزال القياسي للمهبط — الذي يتحول عنده أكسيد الزئبق الثنائي إلى زئبق — هو موجب 0.0977 فولت. إذن، الفولتية الناتجة عن هذه الخلية في الظروف القياسية تساوي موجب 0.0977 فولت ناقص سالب 1.25 فولت. تم تقريب الفولتية لأقرب منزلتين عشريتين.

حسنًا، نظرًا لأن خلايا الزئبق تحتوي على مركبات الزئبق السامة، فإنها لم تعد تنتج بكميات كبيرة. وحيث إن هذه الخلية من الممكن تصنيعها بحيث تكون رفيعة للغاية، فإن هذه البطاريات أو الخلايا كانت تعرف باسم خلايا الأزرار، وتم استخدامها على نطاق واسع في الساعات وسماعات الأذن والآلات الحاسبة. ونظرًا لأن التفاعلات الكيميائية في هذه الخلية غير انعكاسية، فلا يمكن إعادة شحن الخلية. ويجب التخلص من هذا النوع من الخلايا بحذر أو يمكن إعادة تدويرها؛ وذلك لأنها تحتوي على الزئبق السام.

في الجزء التالي من هذا الفيديو، سنتناول خلايا وقود الهيدروجين.

خلايا الوقود هي نوع من أنواع الخلايا الجلفانية؛ حيث تختزن المتفاعلات الكيميائية بشكل منفصل خارج الخلية. وتمد خلية الوقود بالمتفاعلات؛ حيث يحدث في الخلية التفاعل الكيميائي. تفاعلات الأكسدة والاختزال داخل خلية الوقود يمكن أن توفر تيارًا كهربيًّا عند الطلب. يمكن أن يحدث هذا عند توصيل جهاز مثل الموتور الكهربي بخلية الوقود، وتشغيله. عندئذ، تنتج خلية الوقود فولتية ثابتة بشرط أن تمد خلية الوقود بالمتفاعلات بمعدل ثابت.

النوع الأكثر شيوعًا من أنواع خلايا الوقود هو خلية وقود الهيدروجين. وتمد الخلية بغاز الهيدروجين من خزان خارجها؛ حيث يتفاعل مع غاز الأكسجين الموجود بالهواء الخارجي. سنتناول الآن ما بداخل خلية الوقود. المصعد والمهبط يكونا معزولين بغشاء مملوء بالإلكتروليت. في خلية وقود الهيدروجين الحمضية، يكون الغشاء مملوءًا بإلكتروليت حمضي. عند المصعد، يتأكسد غاز الهيدروجين، وتنطلق الإلكترونات. ويمكن جعل هذه الإلكترونات تتدفق حول دائرة كهربية خارجية من خلال موتور كهربي على سبيل المثال.

تنتقل أيونات أو بروتونات الهيدروجين المتبقية خلال غشاء الإلكتروليت إلى المهبط. يتم ذلك في خلية وقود الهيدروجين الحمضية، وغالبًا ما يشار إلى الغشاء باسم «غشاء تبادل البروتونات». عند المهبط في خلية الوقود، يختزل غاز الأكسجين. وتكتسب جزيئات الأكسجين الإلكترونات العائدة من الدائرة الكهربية الخارجية. وتتفاعل مع أيونات الهيدروجين، وبذلك يتكون الماء. أثناء إنتاج الكهرباء، تنتج خلية وقود الهيدروجين ماء، والذي يعد المخلف الوحيد الناتج. يستخدم هذا النوع من خلايا الوقود لإنتاج الكهرباء في رحلات الفضاء، كما أنه يستخدم في إنتاج الكهرباء لبعض السيارات الكهربية.

دعونا نتناول التفاعلات التي تحدث عند كل قطب بمزيد من التفصيل. عند المصعد، يتأكسد غاز الهيدروجين. وتنطلق إلكترونات أيونات الهيدروجين. وجهد الاختزال القياسي لهذه العملية يساوي صفر فولت. وعند المهبط، لاحظنا أن غاز الأكسجين يكتسب إلكترونات ويتفاعل مع أيونات الهيدروجين لإنتاج ماء. جهد الاختزال القياسي لهذا التفاعل يساوي موجب 1.23 فولت. يمكننا موازنة انتقال الإلكترونات في كلتا المعادلتين النصفيتين بضرب المعادلة بالأعلى في اثنين. بعد ذلك، يمكننا الحصول على المعادلة الكلية للتفاعل الذي يحدث داخل خلية الوقود بجمع المعادلتين النصفيتين معًا.

تبسط المعادلة إلى تفاعل مولين من غاز الهيدروجين مع مول واحد من غاز الأكسجين لتكوين مولين من الماء. يمكن حساب جهد الخلية القياسي لخلية الوقود هذه باستخدام هذه المعادلة؛ جهد الخلية القياسي يساوي جهد الاختزال للمهبط ناقص جهد الاختزال للمصعد. بالنسبة إلى هذا النوع من خلايا الوقود، يكون جهد الخلية القياسي هو موجب 1.23 فولت. وتظل فولتية الخلية ثابتة ما دامت الخلية تمد بالمتفاعلات بمعدل ثابت.

ونظرًا لأن الماء هو المخلف الوحيد الناتج، فإن خلية وقود الهيدروجين تعد مصدرًا للكهرباء لا ينتج ثاني أكسيد الكربون بصورة مباشرة. فثاني أكسيد الكربون ينبعث من محركات الاحتراق في السيارات. إحدى الفكر المستخدمة لتفادي حدوث هذا هي استخدام خلايا وقود الهيدروجين بدلًا من محركات الاحتراق في السيارات لتشغيل الموتورات الكهربية. لكن يجب أن نضع في الاعتبار أن غاز الهيدروجين اللازم لخلايا الوقود يجب تصنيعه؛ وذلك لأنه غير متاح في الغلاف الجوي.

يمكن أيضًا أن تعمل خلية وقود الهيدروجين في الظروف القلوية. في خلية الوقود القلوية، يمد المهبط بغاز الأكسجين، حيث يحدث تفاعل اختزال. وتكتسب جزيئات الأكسجين إلكترونات وتتفاعل مع جزيئات الماء لإنتاج أيونات الهيدروكسيد. تنتقل أيونات الهيدروكسيد عبر غشاء الإلكتروليت القلوي. ويمد القطب السالب أو المصعد بغاز الهيدروجين. وعند المصعد، يتفاعل الهيدروجين مع أيونات الهيدروكسيد التي انتقلت عبر غشاء الإلكتروليت القلوي. ونظرًا لأن الإلكترونات تنتج عند المصعد، والمصعد له جهد قطب أكثر سالبية من المهبط، فمن الممكن جعل الإلكترونات تتدفق خلال دائرة كهربية خارجية حيث يمكنها أن تبذل شغلًا.

تصنع الأقطاب غالبًا من مواد سيراميكية مطلية بطبقة رقيقة من البلاتينيوم، وهو ما يساعد على تحفيز التفاعلات. قد يكون مفاجئًا ملاحظة أن جهد الخلية لخلية الوقود القلوية مماثل لجهد الخلية لخلية الوقود الحمضية في الظروف القياسية. وعندما نجمع المعادلتين النصفيتين معًا، يكون التفاعل الكلي في خلية الوقود القلوية هو نفس التفاعل الكلي في خلية الوقود الحمضية، ومن ثم تكون الفولتية الناتجة عن الخليتين متماثلة.

والآن سنتناول سؤالًا لنختبر مدى استيعابك للخلايا الجلفانية.

أي التفاعلات الآتية يمثل المعادلة النصفية للتفاعل الذي يحدث عند المهبط في خلية الزئبق؟

للإجابة عن هذا السؤال، علينا أن نتذكر أن المهبط هو موضع الاختزال في الخلية الجلفانية. ففي الخلية الجلفانية، تحدث الأكسدة عند المصعد. وفي تفاعل الاختزال، تكتسب إلكترونات. ومن ثم، نحن نبحث عن معادلة نصفية تكتسب فيها الأنواع في الطرف الأيسر؛ أي المتفاعلات، إلكترونات. هذا يعني أن الإلكترونات يجب أن تكون في الطرف الأيسر في معادلتنا النصفية.

يمكننا أن نستبعد الإجابة (ج)؛ لأن الإلكترونات تفقد في هذه المعادلة النصفية. إذن، هذه المعادلة النصفية تمثل عملية أكسدة. يمكننا أيضًا استبعاد الإجابة (د)؛ لأنها ليست معادلة نصفية؛ بل هي معادلة أكسدة واختزال كاملة. في الإجابة (د)، يفقد الزنك إلكترونات، وتزيد حالة تأكسده، ونجد أنه تم تأكسده. ويختزل ‪Hg‬‏؛ أي الزئبق. ويكتسب إلكترونات، وتقل حالة تأكسده. وللسبب نفسه الذي استبعدنا من أجله الإجابة (ج)، يمكننا أيضًا استبعاد الإجابة (هـ). وعلى الرغم من أن المعادلة هنا تبدو معادلة نصفية، يمكننا ملاحظة أن الإلكترونات تظهر في الطرف الأيمن. هذا يعني أنها تفقد، وهذا تفاعل أكسدة. تذكروا أننا نبحث عن عملية اختزال.

بالتدقيق في الإجابة (ب)، يمكننا ملاحظة أنه لا يبدو أن هناك أي عمليات أكسدة واختزال على الإطلاق. وحالة تأكسد الزئبق تظل موجب اثنين في المعادلة كلها. وبما أننا نبحث عن تفاعل اختزال، فلا يمكن أن تكون هذه هي الإجابة الصحيحة. خلايا الزئبق تحتوي على أكسيد الزئبق الثنائي ‪HgO‬‏، عند المهبط. في الإجابة (أ)، نلاحظ أن أكسيد الزئبق الثنائي يكتسب إلكترونات. أكسيد الزئبق الثنائي هو النوع الصحيح للمهبط في هذه الخلية، وهو يشارك في تفاعل اختزال هنا. إذن، هذه هي الإجابة الصحيحة.

والآن دعونا نراجع النقاط الرئيسية في هذا الفيديو. الخلية الجلفانية الأولية هي خلية كهروكيميائية مصممة للاستخدام مرة واحدة فقط؛ حيث تولد الإلكترونات خلال تفاعل أكسدة واختزال تلقائي. يحدث الاختزال عند المهبط. وتحدث الأكسدة عند المصعد. ويمكن حساب جهد الخلية القياسي بطرح جهد الاختزال القياسي للمصعد من جهد الاختزال القياسي للمهبط. خلايا الوقود هي نوع من أنواع الخلايا الجلفانية يزود بالمكونات المتفاعلة باستمرار.