الطاقة الكيميائية .. الفيزياء
الطاقة الكيميائية
تتحول الطاقة الكيميائية الى حرارة بواسطة عملية الاحتراق ، وتتحول الحرارة بدورها الى طاقة ميكانيكية بواسطة المحركات الحرارية . وهناك طريقة ثانية لتحويل الطاقة الكيميائية مباشرة الى طاقة ميكانيكية ، وذلك بواسطة الخلية الكهربائية أو المحرك الكهربائي .
في الخلية الكهربائية ، تتحول الطاقة الكيميائية مباشرة الى تيار كهربائي . ويحدث ذلك عندما تتحلل الذرات والجزيئات المحايدة الموجودة في المحلول ، وجميعها يختزن طاقة ، الى اجزاء صغيرة تحمل شحنات كهربائية ، ثم تتدفق الالكترونات التي اطلقتها الذرات وتولد تيارا كهربائيا ينتقل بواسطة سلك خارجي ناقل للكهرباء ويظهر في الرسم نموذج مبسط لاحدى هذه الخلايا ، ( المعروفة باسم نضيدة دانيال ) وهي تحتوي على محلولين ، أولهما محلول حمض الكبريت المخفف ( يد٢ كب ا٤ ) وقد غطس فيه قضيب من الخارصين ( رمزه خ ) ، والثاني محلول كبريتات النحاس ( نح كب أ٤) وقد غطس فيه ايضا قضيب من النحاس . والجدير بالذكر أن قضيب الخارصين وحمض الكبريت موجودان معا في وعاء فخاري يقع بكامله في الوعاء الذي يوجد فيه محلول كبريتات النحاس .
عندما يذوب الخارصين في حمض الكبريت ، تتفكك كل ذرة من ذرات الخارصين الى الكترونين والى جسيم ذي شحنة كهربائية موجبة ، ويسمى شاردا ( أيون ) ، وهو بمثابة ذرة تكون قد فقدت أو كسبت الكترونا أو أكثر ، وأصبحت نتيجة لذلك ذرة غير محايدة ( وفي حالتنا هذه تفقد الذرة الالكترونين الموجودين في طبقتها الخارجية ) ويمكن كتابة التفاعل على النحو التالي : خ ← خ۲+ + ٢ الكترون .
كذلك ، يتفكك حمض الكبريت داخل المحلول :
يد٢ كب أ٤ ← ٢ يد + + كب ا ٢/٤- وبالكيفية نفسها يتفكك كبريتات النحاس كالتالي :
نح كب ا٤ ←نح ٢ + + كب ا ٢/٤- .
بعد ذلك ، ينطلق الالكترونان اللذان تحررا من قضيب الزنك ويتجهان سلك خارجي ، نحو قضيب النحاس حيث يتحدان مع شوارد النحاس وفقا للتفاعل : نح ۲- + ٢ الکترون = نح ، ويترسب هذا الاخير على قضيب النحاس نفسه ويمكن تلخيص التفاعل الاجمالي وبما أن الطاقة كالاتي : نح ٢ + + خ ← نح + خ٢+ + طاقة .
وبما أن الطاقة الداخلية لذرات النحاس وشوارد الخارصين أقل من طاقة ذرات الخارصين وشوارد النحاس ، فان التفاعل يعتبر منتجا لكمية معينة من الطاقة ويكون الشغل الناتج عنها في هذه الحالة مسؤولا عن تدفق الالكترونات في السلك المعدني الخارجي .
يطلق على قضبان الخلية الكهربائية اسم المسري ( الكترود ) وعلى المحلول فيها اسم الالكتروليت . ويطلق على المسري الموجب اسم المصعد ( أنود ) ، وهو يجذب اليه شوارد المحلول السالبة ( شوارد السلفات كب أ ٢/٤- )، وعلى المسري السالب اسم المهبط ( كاتود ) ، وهو يجذب اليه الشوارد الموجبة (خ٢+ ، نح۲+ ، يد +) .
ويساوي التيار المار في السلك الخارجي مجموع تياري كل من الشوارد السالبة والموجبة الموجودة في المحلول . ويطلق على وحدة التيار الكهربائي اسم أمبير وتنتج عن مرور ما يوازي ٦ × ۱۸۱۰ الكترونا في الثانية الواحدة . اما وحدة الشحنة الكهربائية فهي الكولومب ، وبالتالي تصبح الامبير مساوية لمرور شحنة كولومب واحد في الثانية وبعبارة أخرى ، تمثل الكولومب شحنة مقدارها ٦/١ × ۱۸۰ شحنة الالكترون الواحد الذي يحمل بالتالي شحنة مقدارها ٦/١ × ۱۰-٨ = ١،٦ × ۱۰ - ۱۹ كولومب ، والامبير هي وحدة الكهرباء الاساسية في النظام الدولي للوحدات والمقاييس : وهي معتمدة كأساس لتعريف باقي الوحدات الكهربائية مثل الكولومب وغيرها .
وللخلية الكهربائية ميزة أخرى هي القوة الدافعة الكهربائية ، وهي نسبة الطاقة التي تولدها الى كمية الشحنة المخزنة فيها ويعبر عنها بالجول لكل كولومب ) . وهي تقاس بالفلط الذي هو عبارة عن جول واحد لكل كولومب . واذا وصلنا مقياس الفلطية الى مسريي نضيدة دانيال مثلا ، فانه يشير الى كمية ثابتة مقدارها ارا فلط تمثل فرق الكمون الكهربائي للخلية ولا يتوقف التيار عن المرور في الخلية الا حين تستنفد جميع شوارد النحاس الموجودة في محلول كبريتات النحاس ، أو حين تذوب كل كمية الخارصين الموجودة على مسري الخارصين ومع ذلك فانه يمكننا عكس العملية هذه بمجرد وصل طرفي الخلية الى منبع اخر للقوة الدافعة الكهربائية( خلية ثانية مثلا ) . فيؤدي ذلك الى قلب كافة المعادلات الكيميائية السابقة رأسا على عقب في هذه الحالة ، يذوب مسري النحاس بينما يترسب الخارصين على مسري الخارصين وقد اطلق على هذه العملية اسم التحليل بواسطة الكهرباء .
يستخدم التحليل الكهربائي لترسيب فلز فوق فلز آخر ، وبواسطة هذه الطريقة يمكن طلاء جسم مصنوع من معدن رخيص الثمن بفلز اخر غالي الثمن كالكروم والفضة والذهب ويطلق على هذه العملية اسم الطلاء الكهربائي .
واحدى انواع النضائد الموجودة هي النضيدة المسماة نضيدة دانیال .
أما نضيدة لوكلانشيه الجافة ، فتستعمل في اضاءة المصابيح الكهربائية والراديوات ، ولا يمكن تعبئتها في حال فراغها من الشحنة .
الطاقة الكيميائية
تتحول الطاقة الكيميائية الى حرارة بواسطة عملية الاحتراق ، وتتحول الحرارة بدورها الى طاقة ميكانيكية بواسطة المحركات الحرارية . وهناك طريقة ثانية لتحويل الطاقة الكيميائية مباشرة الى طاقة ميكانيكية ، وذلك بواسطة الخلية الكهربائية أو المحرك الكهربائي .
في الخلية الكهربائية ، تتحول الطاقة الكيميائية مباشرة الى تيار كهربائي . ويحدث ذلك عندما تتحلل الذرات والجزيئات المحايدة الموجودة في المحلول ، وجميعها يختزن طاقة ، الى اجزاء صغيرة تحمل شحنات كهربائية ، ثم تتدفق الالكترونات التي اطلقتها الذرات وتولد تيارا كهربائيا ينتقل بواسطة سلك خارجي ناقل للكهرباء ويظهر في الرسم نموذج مبسط لاحدى هذه الخلايا ، ( المعروفة باسم نضيدة دانيال ) وهي تحتوي على محلولين ، أولهما محلول حمض الكبريت المخفف ( يد٢ كب ا٤ ) وقد غطس فيه قضيب من الخارصين ( رمزه خ ) ، والثاني محلول كبريتات النحاس ( نح كب أ٤) وقد غطس فيه ايضا قضيب من النحاس . والجدير بالذكر أن قضيب الخارصين وحمض الكبريت موجودان معا في وعاء فخاري يقع بكامله في الوعاء الذي يوجد فيه محلول كبريتات النحاس .
عندما يذوب الخارصين في حمض الكبريت ، تتفكك كل ذرة من ذرات الخارصين الى الكترونين والى جسيم ذي شحنة كهربائية موجبة ، ويسمى شاردا ( أيون ) ، وهو بمثابة ذرة تكون قد فقدت أو كسبت الكترونا أو أكثر ، وأصبحت نتيجة لذلك ذرة غير محايدة ( وفي حالتنا هذه تفقد الذرة الالكترونين الموجودين في طبقتها الخارجية ) ويمكن كتابة التفاعل على النحو التالي : خ ← خ۲+ + ٢ الكترون .
كذلك ، يتفكك حمض الكبريت داخل المحلول :
يد٢ كب أ٤ ← ٢ يد + + كب ا ٢/٤- وبالكيفية نفسها يتفكك كبريتات النحاس كالتالي :
نح كب ا٤ ←نح ٢ + + كب ا ٢/٤- .
بعد ذلك ، ينطلق الالكترونان اللذان تحررا من قضيب الزنك ويتجهان سلك خارجي ، نحو قضيب النحاس حيث يتحدان مع شوارد النحاس وفقا للتفاعل : نح ۲- + ٢ الکترون = نح ، ويترسب هذا الاخير على قضيب النحاس نفسه ويمكن تلخيص التفاعل الاجمالي وبما أن الطاقة كالاتي : نح ٢ + + خ ← نح + خ٢+ + طاقة .
وبما أن الطاقة الداخلية لذرات النحاس وشوارد الخارصين أقل من طاقة ذرات الخارصين وشوارد النحاس ، فان التفاعل يعتبر منتجا لكمية معينة من الطاقة ويكون الشغل الناتج عنها في هذه الحالة مسؤولا عن تدفق الالكترونات في السلك المعدني الخارجي .
يطلق على قضبان الخلية الكهربائية اسم المسري ( الكترود ) وعلى المحلول فيها اسم الالكتروليت . ويطلق على المسري الموجب اسم المصعد ( أنود ) ، وهو يجذب اليه شوارد المحلول السالبة ( شوارد السلفات كب أ ٢/٤- )، وعلى المسري السالب اسم المهبط ( كاتود ) ، وهو يجذب اليه الشوارد الموجبة (خ٢+ ، نح۲+ ، يد +) .
ويساوي التيار المار في السلك الخارجي مجموع تياري كل من الشوارد السالبة والموجبة الموجودة في المحلول . ويطلق على وحدة التيار الكهربائي اسم أمبير وتنتج عن مرور ما يوازي ٦ × ۱۸۱۰ الكترونا في الثانية الواحدة . اما وحدة الشحنة الكهربائية فهي الكولومب ، وبالتالي تصبح الامبير مساوية لمرور شحنة كولومب واحد في الثانية وبعبارة أخرى ، تمثل الكولومب شحنة مقدارها ٦/١ × ۱۸۰ شحنة الالكترون الواحد الذي يحمل بالتالي شحنة مقدارها ٦/١ × ۱۰-٨ = ١،٦ × ۱۰ - ۱۹ كولومب ، والامبير هي وحدة الكهرباء الاساسية في النظام الدولي للوحدات والمقاييس : وهي معتمدة كأساس لتعريف باقي الوحدات الكهربائية مثل الكولومب وغيرها .
وللخلية الكهربائية ميزة أخرى هي القوة الدافعة الكهربائية ، وهي نسبة الطاقة التي تولدها الى كمية الشحنة المخزنة فيها ويعبر عنها بالجول لكل كولومب ) . وهي تقاس بالفلط الذي هو عبارة عن جول واحد لكل كولومب . واذا وصلنا مقياس الفلطية الى مسريي نضيدة دانيال مثلا ، فانه يشير الى كمية ثابتة مقدارها ارا فلط تمثل فرق الكمون الكهربائي للخلية ولا يتوقف التيار عن المرور في الخلية الا حين تستنفد جميع شوارد النحاس الموجودة في محلول كبريتات النحاس ، أو حين تذوب كل كمية الخارصين الموجودة على مسري الخارصين ومع ذلك فانه يمكننا عكس العملية هذه بمجرد وصل طرفي الخلية الى منبع اخر للقوة الدافعة الكهربائية( خلية ثانية مثلا ) . فيؤدي ذلك الى قلب كافة المعادلات الكيميائية السابقة رأسا على عقب في هذه الحالة ، يذوب مسري النحاس بينما يترسب الخارصين على مسري الخارصين وقد اطلق على هذه العملية اسم التحليل بواسطة الكهرباء .
يستخدم التحليل الكهربائي لترسيب فلز فوق فلز آخر ، وبواسطة هذه الطريقة يمكن طلاء جسم مصنوع من معدن رخيص الثمن بفلز اخر غالي الثمن كالكروم والفضة والذهب ويطلق على هذه العملية اسم الطلاء الكهربائي .
واحدى انواع النضائد الموجودة هي النضيدة المسماة نضيدة دانیال .
أما نضيدة لوكلانشيه الجافة ، فتستعمل في اضاءة المصابيح الكهربائية والراديوات ، ولا يمكن تعبئتها في حال فراغها من الشحنة .
تعليق