بحث عن الخلايا الجلفانية

مقدمة البحث

الحمد لله رب العالمين، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن الطاقة الكهربائية جزء لا غنى عنه من حياتنا، نستخدمها في الهاتف المحمول والساعة والسيارة والأجهزة الطبية. وكثير من هذه الأجهزة يعمل بالبطاريات، وهي في أساسها خلايا جلفانية تحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. وفي هذا البحث نتعرف على فكرة عمل الخلية الجلفانية ومكوناتها وأنواعها وتطبيقاتها.

تعريف الموضوع

الخلية الجلفانية (وتسمى أيضًا الخلية الفولتية) جهاز يولّد تيارًا كهربائيًا من تفاعل أكسدة واختزال يحدث تلقائيًا. وسُمّيت بذلك نسبة إلى العالم الإيطالي لويجي جلفاني، كما سُميت الفولتية نسبة إلى العالم الإيطالي ألساندرو فولتا الذي صنع أول بطارية في أوائل القرن التاسع عشر الميلادي.

أهمية الموضوع

تكمن أهمية دراسة الخلايا الجلفانية في أنها تمثّل التطبيق العملي لتفاعلات الأكسدة والاختزال في الحياة اليومية، وتفسّر لنا عمل البطاريات التي لا نستغني عنها. كما أنها أساس علم الكيمياء الكهربائية الذي تقوم عليه صناعات وتقنيات كثيرة.

أهداف البحث

• توضيح مفهوم الأكسدة والاختزال.
• التعرف على مكونات الخلية الجلفانية ودور كل مكوّن.
• شرح عمل خلية دانيال وحساب جهد الخلية.
• التعرف على أنواع من الخلايا والبطاريات وتطبيقاتها.

الأكسدة والاختزال

تفاعل الأكسدة والاختزال تفاعل تنتقل فيه الإلكترونات من مادة إلى أخرى. فـالأكسدة هي فقدان المادة للإلكترونات، والاختزال هو اكتساب الإلكترونات. وتحدثان معًا دائمًا، فالمادة التي تفقد الإلكترونات (المختزِلة) تعطيها لمادة أخرى تكتسبها (المؤكسِدة). ومثال ذلك تفاعل الخارصين مع أيونات النحاس في محلول كبريتات النحاس، إذ يفقد الخارصين إلكترونين ويتأكسد، وتكتسبهما أيونات النحاس فتُختزل وتترسب نحاسًا. وإذا حدث هذا التفاعل في إناء واحد انتقلت الإلكترونات مباشرة وتحولت الطاقة إلى حرارة، أما في الخلية الجلفانية فتُجبر الإلكترونات على المرور في سلك خارجي فتنتج تيارًا كهربائيًا.

مكونات الخلية الجلفانية

نصفا الخلية

تتكون الخلية من نصفين، يضم كل منهما قطبًا فلزيًا مغموسًا في محلول يحتوي أيونات هذا الفلز.

الأنود والكاثود

• الأنود: القطب الذي تحدث عنده عملية الأكسدة، وهو القطب السالب في الخلية الجلفانية، تنطلق منه الإلكترونات.
• الكاثود: القطب الذي تحدث عنده عملية الاختزال، وهو القطب الموجب في الخلية الجلفانية، تصل إليه الإلكترونات.

السلك الخارجي

يربط بين القطبين، وتسري فيه الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود، ويمكن وضع مصباح أو جهاز قياس فيه.

القنطرة الملحية

أنبوب يحتوي محلول ملح (مثل نترات البوتاسيوم أو كلوريد البوتاسيوم) يصل بين المحلولين. ووظيفتها السماح بحركة الأيونات بين نصفي الخلية للمحافظة على تعادل الشحنات الكهربائية في المحلولين، وإتمام الدائرة الكهربائية. ولو لم توجد لتجمعت الشحنات الموجبة في نصف الأنود والسالبة في نصف الكاثود، وتوقف التفاعل بسرعة.

خلية دانيال

سُميت نسبة إلى العالم البريطاني جون دانيال الذي صنعها في ثلاثينيات القرن التاسع عشر الميلادي، وهي مثال تعليمي مشهور على الخلية الجلفانية. وتتكون من:

• قطب من الخارصين Zn مغموس في محلول كبريتات الخارصين ZnSO4 ويمثل الأنود.
• قطب من النحاس Cu مغموس في محلول كبريتات النحاس CuSO4 ويمثل الكاثود.
• سلك يصل بين القطبين، وقنطرة ملحية تصل بين المحلولين.

وتفاعلات الخلية:

• عند الأنود (أكسدة): Zn ← Zn²⁺ + 2e⁻، فيذوب الخارصين وتقل كتلة القطب.
• عند الكاثود (اختزال): Cu²⁺ + 2e⁻ ← Cu، فيترسب النحاس وتزداد كتلة القطب.
• التفاعل الكلي: Zn + Cu²⁺ ← Zn²⁺ + Cu.

وتسري الإلكترونات في السلك من الخارصين إلى النحاس، بينما تتحرك الأيونات السالبة في القنطرة الملحية نحو نصف الأنود، والموجبة نحو نصف الكاثود.

ويُعبَّر عن الخلية بالرمز المختصر: Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu، حيث يمثل الخط المفرد الحد الفاصل بين القطب ومحلوله، والخطان المزدوجان القنطرة الملحية، ويكتب الأنود على اليسار والكاثود على اليمين.

جهد الخلية

الفرق في ميل القطبين لفقدان الإلكترونات أو اكتسابها هو الذي ينتج فرق جهد كهربائي بينهما يسمى جهد الخلية، ويقاس بالفولت. ولا يمكن قياس جهد قطب واحد منفردًا، فاتُّفق على قياسه بالنسبة لقطب مرجعي هو قطب الهيدروجين القياسي الذي جُعل جهده صفرًا. وتوضع جهود الاختزال القياسية للأقطاب في جداول، ويحسب جهد الخلية من العلاقة:

جهد الخلية القياسي = جهد الاختزال القياسي للكاثود − جهد الاختزال القياسي للأنود.

ففي خلية دانيال يبلغ جهد اختزال النحاس القياسي نحو ٠٫٣٤ فولت، وجهد الخارصين نحو ٠٫٧٦− فولت، فيكون جهد الخلية نحو ١٫١ فولت. والتفاعل الذي يعطي جهدًا موجبًا يحدث تلقائيًا، وهذا شرط عمل الخلية الجلفانية.

من أنواع الخلايا والبطاريات

الخلية الجافة (خلية الخارصين والكربون)

من أكثر الخلايا شيوعًا، يكون غلافها من الخارصين وهو الأنود، وفي وسطها قضيب من الجرافيت (الكربون) هو الكاثود، وحولها عجينة رطبة من كلوريد الأمونيوم وثاني أكسيد المنغنيز. ويُستخدم هذا النوع في المصابيح اليدوية والساعات. ولا يمكن إعادة شحنها، ولذلك تسمى خلية أولية. وتوجد الخلية القلوية التي تعطي طاقة أطول وتعتمد على وسط قاعدي.

بطارية الرصاص الحمضية (بطارية السيارة)

تتكون من ألواح من الرصاص وألواح من ثاني أكسيد الرصاص مغمورة في محلول حمض الكبريتيك. وكل خلية فيها تعطي نحو ٢ فولت، وتجمع ست خلايا لتعطي نحو ١٢ فولت. وهي خلية ثانوية قابلة لإعادة الشحن، إذ يمكن عكس التفاعل بتمرير تيار كهربائي من مولد السيارة. وتستعمل لتشغيل محرك السيارة والإضاءة.

بطاريات أخرى

ومنها بطاريات أيون الليثيوم القابلة للشحن المستخدمة في الهواتف والحواسيب والمركبات الكهربائية، وبطاريات النيكل والكادميوم، وخلايا الوقود التي تحوّل طاقة الهيدروجين إلى كهرباء.

الفرق بين الخلية الجلفانية وخلية التحليل الكهربائي

الخلية الجلفانية تحوّل الطاقة الكيميائية إلى كهربائية بتفاعل تلقائي، أما خلية التحليل الكهربائي فتحوّل الطاقة الكهربائية إلى كيميائية بتفاعل غير تلقائي بتمرير تيار من مصدر خارجي. وفي الخلية الجلفانية يكون الأنود سالبًا، أما في خلية التحليل فيكون الأنود موجبًا، لكن الأكسدة تحدث عند الأنود في الحالتين.

تطبيقات الخلايا الجلفانية

• تشغيل الأجهزة المحمولة كالهواتف والساعات والحاسبات.
• تشغيل السيارات والمركبات الكهربائية.
• مصادر الطاقة الاحتياطية والإنارة في حالات الطوارئ.
• الأجهزة الطبية كمنظّم ضربات القلب والسماعات الطبية.
• تخزين الطاقة الشمسية في بطاريات للاستفادة منها ليلًا.

التأثيرات البيئية وحسن التخلص من البطاريات

تحتوي بعض البطاريات على معادن ثقيلة كالرصاص والكادميوم والزئبق، وهي تضر بالتربة والماء والكائنات الحية إذا أُلقيت في القمامة. لذلك يجب جمعها في أماكن مخصصة لإعادة التدوير، وعدم حرقها أو رميها في الطبيعة، وتفضيل البطاريات القابلة للشحن التي تقلل النفايات.

الخاتمة

تعرّفنا في هذا البحث على الخلايا الجلفانية التي تحوّل تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي إلى طاقة كهربائية، وعلى مكوناتها من أنود وكاثود وقنطرة ملحية، وعلى خلية دانيال وجهدها، وعلى أنواع من البطاريات وتطبيقاتها. ويتضح أن العلم الذي ندرسه في المدرسة له صلة وثيقة بحياتنا، وأن علينا استعمال البطاريات بحكمة والتخلص منها بطريقة آمنة للبيئة.

المراجع

• كتاب الكيمياء للمرحلة الثانوية (الكيمياء الكهربائية)، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• كتب الكيمياء العامة الجامعية، فصل الكيمياء الكهربائية.
• الموسوعة العربية العالمية، مواد «البطارية» و«الخلية الكهربائية».