يتناول هذا الدرس مبدأ عمل الخلايا الجلفانية، ومكوناتها من أقطاب وقنطرة ملحية، وكيفية حساب جهد الخلية المعياري باستخدام قطب الهيدروجين كمرجع، بالإضافة إلى تطبيقاتها العملية في البطاريات.
آخر تحديث:
تبدأ الحكاية عندما نضع فلزين مختلفين في النشاط الكيميائي في محاليل أيوناتهما، حيث ينشأ فرق جهد يدفع الإلكترونات للحركة. الخلية الجلفانية هي الأداة التي تسخر هذا التفاعل لإنتاج تيار كهربائي نستفيد منه في حياتنا.
نصف الخلية: وعاء يحتوي على صفيحة فلزية مغموسة في محلول يحتوي على أيونات ذلك الفلز.
تتكون الخلية الجلفانية من الأجزاء الرئيسية التالية:
عند كتابة رمز الخلية الجلفانية، ابدأ دائماً بالمصعد من اليسار ثم خطين متوازيين للقنطرة الملحية ثم المهبط على اليمين: .
يعبر جهد الخلية عن القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن فرق النشاط بين القطبين. لتوحيد القياسات، اعتمد العلماء ظروفاً معيارية (حرارة ، تركيز ، وضغط ).
قانون جهد الخلية: يُحسب جهد الخلية المعياري من العلاقة:
بما أنه لا يمكن قياس جهد نصف خلية منفرد، استخدم قطب الهيدروجين المعياري (SHE) كمرجع:
تذكر أن قيمة جهد الاختزال المعياري خاصية نوعية للمادة، فلا تتأثر بضرب معادلة نصف التفاعل بمعامل (عدد مولات) عند موازنة الإلكترونات.
يرتب جدول جهود الاختزال المعيارية المواد حسب قوتها كعوامل مؤكسدة ومختزلة:
الهدف: قياس القوة الدافعة الكهربائية لعدة خلايا جلفانية وترتيب الفلزات حسب نشاطها.
خطوات عملية لقياس فرق الجهد بين أقطاب مختلفة.
الخطوات:
الاستنتاج: الفلز الذي يمتلك جهد اختزال أقل يعمل كمصعد، والفرق بين القراءات يحدد ترتيب الفلزات في سلسلة النشاط.
يمكننا كيميائياً معرفة ما إذا كان التفاعل سيحدث بمجرد خلط المواد أم يحتاج لتدخل خارجي من خلال حساب جهد الخلية الكلي.
إذا كانت قيمة موجبة، فالتفاعل تلقائي. إذا كانت سالبة، فالتفاعل غير تلقائي ولا يحدث في الظروف المعيارية.
تطبيقات التنبؤ تشمل:
البطاريات هي خلايا جلفانية تجارية مصممة لتكون محمولة ومستقرة. تقسم إلى أولية (لا تشحن) وثانوية (قابلة للشحن).
لماذا الليثيوم؟: لأن الليثيوم يمتلك أقل جهد اختزال معياري (أقوى عامل مختزل) وهو أخف عنصر فلزي.
بطارية الرصاص للتخزين (المركم الرصاصي)
بطارية أيون الليثيوم
خلية كهروكيميائية يحدث فيها تفاعل تأكسد واختزال تلقائي يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
جزء من الخلية يحتوي قطباً ومحلولاً لأيوناته، ويحدث فيه نصف تفاعل التأكسد أو الاختزال.
أنبوب أو وسط أيوني يصل نصفي الخلية ويسمح بحركة الأيونات للمحافظة على التعادل الكهربائي.
القطب الذي يحدث عنده التأكسد، ويكون سالباً في الخلية الجلفانية.
القطب الذي يحدث عنده الاختزال، ويكون موجباً في الخلية الجلفانية.
فرق الجهد بين قطبي الخلية في الظروف المعيارية، ويحسب من جهود الاختزال المعيارية.
قطب مرجعي اتفق على أن جهد اختزاله المعياري يساوي 0.00 V.
حدوث التفاعل دون الحاجة إلى طاقة كهربائية خارجية؛ ويكون التفاعل تلقائياً إذا كانت قيمة E°cell موجبة للاتجاه المكتوب.
عرّف الخلايا الكهروكيميائية والخلايا الجلفانية، وبيّن التحول في الطاقة داخل الخلية الجلفانية.
الخلايا الكهروكيميائية خلايا تحدث فيها تفاعلات تأكسد واختزال منتجة للطاقة الكهربائية أو مستهلكة لها. أما الخلية الجلفانية فهي خلية كهروكيميائية يحدث فيها تفاعل تأكسد واختزال تلقائي يولد تيارا كهربائيا؛ لذلك تتحول فيها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
اذكر مكونات خلية الجلفانية، واشرح وظيفة القنطرة الملحية واتجاه حركة أيوناتها في أثناء عمل الخلية.
تتكون الخلية من نصف خلية خارصين: صفيحة في محلول يحوي ، ونصف خلية نحاس: صفيحة في محلول يحوي ، وتوصل الأقطاب بسلك خارجي وفولتميتر وتوصل المحاليل بقنطرة ملحية مثل . القنطرة الملحية تعادل الشحنات في نصفي الخلية وتحافظ على استمرار التيار دون خلط مباشر للمحلولين. في خلية تتجه أيونات نحو نصف خلية الخارصين لمعادلة زيادة ، وتتجه أيونات نحو نصف خلية النحاس لمعادلة زيادة الأيونات السالبة بعد اختزال .
قارن بين المصعد والمهبط في الخلية الجلفانية من حيث نوع التفاعل، إشارة القطب، اتجاه الإلكترونات، والتغير المتوقع في الكتلة.
المصعد هو القطب الذي يحدث عنده التأكسد، وشحنته سالبة في الخلية الجلفانية؛ لأنه مصدر الإلكترونات، فتتحرك الإلكترونات منه عبر السلك الخارجي نحو المهبط، وتقل كتلته غالبا إذا كان فلزا يتأكسد إلى أيونات. المهبط هو القطب الذي يحدث عنده الاختزال، وشحنته موجبة في الخلية الجلفانية؛ إذ تتحرك الإلكترونات نحوه، وتزداد كتلته غالبا بترسب الفلز الناتج من اختزال أيوناته.
اكتب الرمز الاصطلاحي لخلية الخارصين والنحاس، ثم وضّح قاعدة كتابة رمز الخلية الجلفانية.
رمز خلية الخارصين والنحاس هو: . تكتب مكونات نصف خلية التأكسد أولا من اليسار، فتبدأ بالمادة التي تتأكسد ثم ناتج التأكسد ويفصل بينهما خط مفرد. ثم يكتب خطان متوازيان للدلالة على القنطرة الملحية، ثم تكتب مكونات نصف خلية الاختزال بحيث تكتب المادة التي تختزل ثم ناتج الاختزال ويفصل بينهما خط مفرد.
لماذا يستخدم قطب خامل مثل البلاتين أو الجرافيت في بعض الخلايا الجلفانية؟ أعط مثالا.
يستخدم قطب خامل عندما تكون المواد المتفاعلة أيونات ذائبة أو مواد غير موصلة أو غازية أو سائلة، فلا تصلح مباشرة لتكون أقطابا صلبة موصلة. يوفر القطب الخامل سطحا موصلا يسمح بحدوث تفاعلات التأكسد والاختزال دون أن يشارك في التفاعل. من الأمثلة استخدام البلاتين في قطب الهيدروجين المعياري: ، وكذلك في نصف خلية في رمز الخلية.
بطاقات مهمة
خلايا تحدث فيها تفاعلات تأكسد واختزال منتجة للطاقة الكهربائية أو مستهلكة لها، وتشمل الخلايا الجلفانية وخلايا التحليل الكهربائي.
خلية كهروكيميائية يحدث فيها تفاعل تأكسد واختزال تلقائي يولد تيارا كهربائيا؛ فتحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
جزء من الخلية الجلفانية يحوي قطبا مغموسا في محلول يحتوي على أيونات ذلك القطب، مثل أو .
توصل محلولي نصفي الخلية أيونيا وتعادل الشحنات الكهربائية؛ فتسمح باستمرار عمل الخلية دون خلط مباشر للمحلولين.
تتحرك الأيونات السالبة مثل نحو نصف خلية الخارصين لمعادلة زيادة ، وتتحرك الأيونات الموجبة مثل نحو نصف خلية النحاس لمعادلة زيادة الأيونات السالبة.
قطب التأكسد، وشحنته سالبة في الخلية الجلفانية؛ لأنه مصدر الإلكترونات. غالبا تقل كتلته عندما يتأكسد فلز القطب إلى أيونات.
قطب الاختزال، وشحنته موجبة في الخلية الجلفانية؛ إذ تتحرك الإلكترونات نحوه. غالبا تزداد كتلته بترسب الفلز الناتج من اختزال أيوناته.
تتحرك الإلكترونات في الدارة الخارجية من المصعد، حيث يحدث التأكسد، إلى المهبط، حيث يحدث الاختزال.
التأكسد عند الخارصين: . الاختزال عند النحاس: . التفاعل الكلي: .
؛ يكتب نصف التأكسد يسارا، ثم للقنطرة الملحية، ثم نصف الاختزال يمينا.
نصائح للمراجعة