تركيب الخلايا الجلفانية وعملها

يمكن الحصول على تيار كهربائي من تفاعلات التأكسد والاختزال المشابهة للتفاعل في النشاط (6-1) إذا توفر نظام ملائم، وأمكن فصل نصف تفاعل التأكسد عن نصف تفاعل الاختزال باستخدام وعاءين منفصلين، دون السماح باختلاط المواد المتفاعلة، كما هو مبيّن في النشاط (6-2).

نشاط (6-2): تركيب الخلايا الجلفانية وعملها:

المواد والأدوات اللازمة: كأس زجاجي سعة 200 مل عدد (2)، ومحلول كبريتات النحاس (II) تركيزه (1 مول / لتر)، ومحلول كبريتات الخارصين تركيزه (1 مول / لتر)، وصفيحة من النحاس، وصفيحة من الخارصين، وأنبوب على شكل U، ومحلول مشبع من كلوريد البوتاسيوم، وفولتميتر، وأسلاك توصيل، وقطن، ومخبار مدرج.

خطوات العمل:

1. ضع 100 مل من محلول كبريتات النحاس (II) في الكأس الأولى، واغمس بها صفيحة النحاس.
2. ضع 100 مل من محلول كبريتات الخارصين في الكأس الثانية، واغمس بها صفيحة الخارصين.
3. املأ الأنبوب على شكل U بمحلول كلوريد البوتاسيوم وسدّ طرفيه بقطن (تأكد من عدم وجود فقاعات هوائية في الأنبوب).
4. ركّب الجهاز كما في الشكل (6-2).

• فولتميتر
• $\text{e}^- \rightarrow \text{e}^-$
• قطب النحاس (المهبط) Copper cathode
• قطب الخارصين (المصعد) Zinc anode
• جسر ملحي
• $\leftarrow \text{Cl}^- \quad \text{K}^+ \rightarrow$
• قطن
• $\ce{Cu^2+}$
• $\ce{SO4^2-}$
• محلول $\ce{CuSO4}$
• $\ce{SO4^2-}$
• $\ce{Zn^2+}$
• محلول $\ce{ZnSO4}$
• $\ce{Cu^2+}$
• $\ce{Zn^2+}$
• اختزال $\ce{Cu^2+}$ إلى $\ce{Cu}$ على المهبط: $2\text{e}^- + \text{Cu}^{2+}_{(\text{aq})} \rightarrow \text{Cu}_{(\text{s})}$
• تأكسد $\ce{Zn}$ إلى $\ce{Zn^2+}$ على المصعد: $\text{Zn}_{(\text{s})} \rightarrow \text{Zn}^{2+}_{(\text{aq})} + 2\text{e}^-$
• المعادلة الكلية: $\text{Zn}_{(\text{s})} + \text{Cu}^{2+}_{(\text{aq})} \rightarrow \text{Zn}^{2+}_{(\text{aq})} + \text{Cu}_{(\text{s})}$

5. أغلق الدارة الكهربائية، ثم راقب مؤشر الفولتميتر وسجّل قراءته.

والآن أجب عن الأسئلة الآتية:

1. ما دلالة انحراف مؤشر الفولتميتر؟
2. ما مقدار القوة الدافعة الكهربائية (الفولتية) التي قاسها الفولتميتر؟
3. قم بإزالة الجسر الملحي، ماذا تلاحظ؟ فسّر إجابتك.

يدلّ انحراف مؤشر الفولتميتر على سريان التيار الكهربائي من صفيحة الخارصين نحو صفيحة النحاس عبر أسلاك التوصيل، ويستدل من ذلك أن تفاعل التأكسد الآتي قد حدث على صفيحة الخارصين: $\text{Zn}_{\text{(s)}} \longrightarrow \text{Zn}^{2+}_{\text{(aq)}} + 2\text{e}^-$

إذ فقدت ذرات الخارصين إلكترونات، وتحولت إلى أيونات موجبة تنتشر في المحلول، وتسمى صفيحة الخارصين (المصعد)، وتكون شحنته سالبة (القطب السالب).

أما على صفيحة النحاس فيتوقع أن يحدث تفاعل الاختزال الآتي:

وتسمى صفيحة النحاس (المهبط)، وتكون شحنته موجبة (القطب الموجب).

ويقوم الجسر الملحي (القنطرة الملحية) بإغلاق الدارة الكهربائية عبر:

1. السماح بانتقال أيونات الكلور السالبة نحو نصف خلية الخارصين لمعادلة أيونات الخارصين الزائدة هناك.
2. أما أيونات البوتاسيوم فتنتقل من الجسر الملحي نحو نصف خلية النحاس لمعادلة أيونات الكبريتات الزائدة.

وبذلك يتم الحفاظ على اتزان الخلية الكهربائي، وتكون المعادلة الكلية للتفاعل الذي تم في تلك الخلية الكهروكيميائية:

وتمثل قراءة الفولتميتر التي سجلتها جهد الخلية الجلفانية، وهي القوة الدافعة الكهربائية (الفولتية) التي تسبب انتقال الإلكترونات في سلك التوصيل.