تطبيقات الخلايا الجلفانية: الخلايا الأولية والمركم وخلية الوقود وبطارية الليثيوم
درس تطبيقات الخلايا الجلفانية: نقسم الخلايا إلى أولية وثانوية وخلية وقود، ثم ندرس تفاعلات الأنود والكاثود في كل نوع. وفي صفحة الأسئلة تجد باقي الدرس.
أنواع الخلايا الجلفانية
| النوع | الفكرة | أمثلة |
|---|---|---|
| خلايا أولية | لا يمكن إعادة شحنها بعد نفاد المواد المتفاعلة | الخلية الجافة ، خلية الزئبق |
| خلايا ثانوية | يمكن إعادة شحنها بتيار خارجي (تعمل كخلية تحليلية أثناء الشحن) | مركم الرصاص ، بطارية أيون الليثيوم |
| خلية الوقود | لا تخزن الطاقة ، وتحتاج إمدادًا مستمرًا بالوقود | خلية الهيدروجين والأكسجين |
الخلية الجافة
- الأنود من الخارصين والكاثود من الجرافيت مع ثاني أكسيد المنجنيز MnO₂ ، والإلكتروليت عجينة.
- جهدها يظل ثابتًا تقريبًا أثناء الاستخدام ثم ينخفض فجأة عند نفاد المواد المتفاعلة.
اعرض الحل
الخلية الجافة يظل جهدها ثابتًا تقريبًا ثم ينخفض فجأة عند نفاد المواد المتفاعلة.
الإجابة (ب).
خلية الزئبق
- خلية أولية صغيرة الحجم تُستخدم في الساعات وسماعات الأذن، وجهدها ثابت تقريبًا (1.35 V) لمدة طويلة.
- لأنها خلية أولية لا يمكن شحنها ولا تخزن الطاقة الكهربية في صورة طاقة كيميائية.
اعرض الحل
خلية الزئبق خلية أولية لا يمكن إعادة شحنها.
فلا يمكنها تخزين الطاقة الكهربية في صورة طاقة كيميائية.
الإجابة (د).
وجهد خلية الزئبق يظل ثابتًا لفترة طويلة ثم ينخفض فجأة، بعكس خلايا أخرى يتناقص جهدها تدريجيًا:
اعرض الحل
خلية الزئبق جهدها ثابت تقريبًا (1.35 V) ولمدة طويلة قبل أن ينخفض فجأة.
هذا يمثل المنحنى (Z).
الإجابة (د).
خلية الوقود
- تحول الطاقة الكيميائية للوقود (غاز H₂) والأكسجين إلى طاقة كهربية مباشرة، والناتج الوحيد هو الماء.
- في الوسط القلوي :
- الأنود : H₂ + 2OH⁻ → 2H₂O + 2e⁻ فتقل pH حوله.
- الكاثود : O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ فتزداد pH حوله.
- التفاعل الكلي : 2H₂ + O₂ → 2H₂O
اعرض الحل
الأنود : H₂ + 2OH⁻ → 2H₂O + 2e⁻ فتستهلك OH⁻ وتقل pH.
الكاثود : O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ فتتكون OH⁻ وتزداد pH.
الإجابة (ج).
وفي خلية الوقود ذات الإلكتروليت الحمضي تتحرك أيونات H⁺ خلال الإلكتروليت من الأنود إلى الكاثود:
اعرض الحل
(1) الأنود : أكسدة H₂.
(2) الإلكتروليت : تتحرك خلاله أيونات H⁺.
(3) الكاثود : اختزال O₂.
(4) يخرج الهيدروجين الزائد.
الإجابة (أ).
مركم الرصاص الحامضي
- الأنود من الرصاص Pb والكاثود من PbO₂ ، والإلكتروليت حمض الكبريتيك المخفف.
- عند التفريغ :
- الأنود : Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻
- الكاثود : PbO₂ + 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O
- يستهلك الحمض فتقل كثافة الإلكتروليت وتزداد pH ، وتتكون كبريتات الرصاص (II) على القطبين.
- عند الشحن تتعاكس التفاعلات ويعمل المركم كخلية تحليلية فتزداد كثافة الحمض.
اعرض الحل
(١) PbO₂(s) + 4H⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) + 2e⁻ → PbSO₄(s) + 2H₂O(l)
(٢) يتم عند الكاثود ، لأنه تفاعل اختزال يتم فيه اكتساب الإلكترونات.
وعند تفريغ المركم يتأكسد الرصاص عند الأنود فيزداد ما يتكون من PbSO₄ بزيادة زمن التشغيل:
اعرض الحل
عند التفريغ يتأكسد Pb إلى Pb²⁺ (PbSO₄) فتزداد كمية Pb²⁺ المتكونة بزيادة زمن التشغيل.
الأنود قطب سالب ، ويستهلك H₂SO₄.
الإجابة (ب).
بطارية أيون الليثيوم
- الأنود من الجرافيت المحمل بالليثيوم LiC₆ والكاثود من LiCoO₂ ، والإلكتروليت LiPF₆ في مذيب عضوي.
- عند التفريغ تتحرك أيونات Li⁺ من الأنود (الجرافيت) إلى الكاثود (CoO₂) :
- الأنود : LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e⁻
- الكاثود : CoO₂ + Li⁺ + e⁻ → LiCoO₂
- التفاعل الكلي : LiC₆ + CoO₂ → C₆ + LiCoO₂
- عند الشحن تعود أيونات Li⁺ إلى الجرافيت.
- تتميز بخفة الوزن وارتفاع كمية الطاقة المختزنة.
اعرض الحل
تتحرك أيونات Li⁺ من الجرافيت (C₆) إلى CoO₂ ، وهذا يحدث عند التفريغ.
القطب (X) المجاور للجرافيت يكون هو الأنود.
الإجابة (ب).
ويبين اتجاه حركة أيونات الليثيوم هل البطارية في حالة تفريغ (تعمل كمصدر للتيار) أم في حالة شحن:
اعرض الحل
(١) الجهاز (X) يمثل موبايل ، لأن أيونات Li⁺ تنتقل من قطب LiC₆ باتجاه قطب LiCoO₂ عند تفريغ البطارية.
(٢) LiC₆(s) + CoO₂(s) → C₆(s) + LiCoO₂(s)
وللمقارنة بين خلية الوقود والبطارية أثناء التفريغ :
اعرض الحل
عند التفريغ تتجه الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود خلال الدائرة الخارجية.
في الشكل : (2) أنود و (3) كاثود.
الإجابة (د).