تطبيقات عملية على الخلايا الجلفانية

تسمى الأداة التي تتحول فيها الطاقة الكيميائية المخزنة إلى طاقة كهربائية بالبطارية، وتتكون بعض البطاريات من خلية جلفانية واحدة مثل العمود الجاف، وبعضها من عدد من الخلايا الجلفانية متصلة على التوالي مثل بطارية السيارة.

يكون التفاعل الكيميائي فيها غير منعكس فيتوقف سريان التيار الكهربائي عند تحول جميع المواد المتفاعلة إلى مواد ناتجة، ومن أشهر الأمثلة عليها العمود الجاف.

تمعّن الشكل (6-5) الذي يمثل العمود الجاف، ثم لاحظ أجزاءه.

• مادة عازلة
• عمود كربون
• عجينة من $\ce{MnO2}$ ومسحوق الكربون
• عجينة من $\ce{NH4Cl}$ و $\ce{ZnCl2}$
• غطاء من الخارصين

وفي هذه البطارية يحدث تفاعل التأكسد على قطب الخارصين (المصعد): $\text{Zn}_{(\text{s})} \longrightarrow \text{Zn}^{2+}{}_{(\text{aq})} + 2\text{e}^-$

أما تفاعل الاختزال فيحدث على قطب الكربون (المهبط) كالآتي: $2\text{NH}_4{}^+_{(\text{aq})} + 2\text{MnO}_{2(\text{s})} + 2\text{e}^- \longrightarrow \text{Mn}_2\text{O}_{3(\text{s})} + \text{H}_2\text{O}_{(\text{l})} + 2\text{NH}_{3(\text{aq})} \quad (\text{ليست للحفظ})$

يعطي العمود الجاف قوة دافعة كهربائية مقدارها 1.5 فولت، لكنها تتناقص تدريجياً عند استخدامها، وخاصة في الجو البارد، ويستخدم في مصابيح اليد، وألعاب الأطفال، وغيرها.

قضية بحث (ملف الإنجاز)

استخدم مصادر التعلم المختلفة بما فيها الشبكة العنكبوتية للبحث في تركيب الخلية القاعدية (Alkaline cell) وعملها، التي تم تطويرها للتغلب على عيوب العمود الجاف.

يمكن في هذا النوع من الخلايا، عكس التفاعلات الكيميائية التلقائية، بتمرير التيار الكهربائي خلال الخلايا (شحن الخلية)، وبذلك يمكن استخدامها مئات المرات عبر عمليتي (الشحن والتفريغ)، ومن أشهر خلايا التخزين بطارية السيارة (المركم الرصاصي) التي يمثلها الشكل (6-6).

تصنع الأقطاب في هذه البطارية من سبيكة من الرصاص والأنتيمون، ويغطى المصعد فيها بالرصاص، بينما يغطى المهبط بأكسيد الرصاص البني، وتغمس الأقطاب الموصولة على التوالي في محلول مخفف من حمض الكبريتيك كثافته $1.29\text{ غم / سم}^3$ وتركيزه $30\%$.

وتحدث التفاعلات الآتية عند تفريغ البطارية:

معادلة نصف تفاعل التأكسد $\text{Pb}_{\text{(s)}} + \text{SO}_{4\text{ (aq)}}^{2-} \longrightarrow \text{PbSO}_{4\text{(s)}} + 2e^−$

معادلة نصف تفاعل الاختزال $\text{PbO}_{2\text{(s)}} + 4\text{H}^+_{\text{(aq)}} + \text{SO}_{4\text{ (aq)}}^{2-} + 2e^- \longrightarrow \text{PbSO}_{4\text{(s)}} + 2\text{H}_2\text{O}_{\text{(l)}}$

المعادلة الكلية للتفاعل في بطارية السيارة $\text{Pb}_{\text{(s)}} + \text{PbO}_{2\text{(s)}} + 4\text{H}^+_{\text{(aq)}} + 2\text{SO}_{4\text{ (aq)}}^{2-} \longrightarrow 2\text{PbSO}_{4\text{(s)}} + 2\text{H}_2\text{O}$

وجهد هذه الخلية $\text{E}$ يساوي $2.0$ فولت، فإذا تم وصل $6$ خلايا على التوالي كما هي العادة، فإن هذه الخلية تعطي قوة دافعة كهربائية مقدارها $12$ فولتاً تقريباً.

وعندما تكتسي الأقطاب جزئياً بكبريتات الرصاص، ويصبح الحمض مخففاً من الماء الناتج من التفاعل تصبح الخلية غير مشحونة (discharged)، ولإعادة شحنها توصل الخلية بمصدر فرق جهد خارجي أكبر من $12$ فولتاً يُجبر التفاعل أن يتم عكس تفاعل عملية التفريغ.

استخدم مصادر التعلم المختلفة بما فيها الشبكة العنكبوتية للبحث في تركيب وعمل بطارية التخزين الصغيرة ( فضة-خارصين) .

• دخول الهيدروجين
• $\ce{H2}$
• $\text{e}^-$
• $\ce{OH-}$
• $\ce{H2O}$
• خروج الماء
• دخول الأكسجين
• $\ce{O2}$
• مصعد | لوح فاصل | مهبط

استخدمت هذه الخلايا في المركبات الفضائية لتوليد التيار الكهربائي، ويستخدم رواد الفضاء الماء الناتج للشرب، وتمتاز بعدم تلويثها للبيئة، وارتفاع مردود الطاقة الناتج نسبياً.

وتمثل المعادلتان الآتيتان التفاعلات الكيميائية التي تتم في هذه الخلايا:

استخدم مصادر التعلم بما فيها الشبكة العنكبوتية للبحث عن أنواع أخرى من خلايا الوقود.