تويت
الخلايا الغلفانية
الطاقة الكهربائية مهمةٌ جدًا في حياتنا اليومية، لذا أصبح استخدام التفاعلات الكيميائية لإنتاج الكهرباء النظيفة أولويةً لكثيرٍ من الباحثين لتكون بديلًا صحيًّا وغير ضارٍّ بالبيئة، وفي هذا المقال سنقدم تحليلًا متعمقًا حول الخلايا الغلفانية ونتعلم كيفية استخدام التفاعلات الكيميائية لإنتاج الكهرباء النظيفة.
أنواع الخلايا الكهروكيميائية
هناك نوعان أساسيان للخلايا الكهروكيميائية وهما:
تعد البطاريات القابلة لإعادة الشحن أمثلةً على كلا النوعين من الخلايا؛ فهي تعمل كخلايا غلفانية عندما تقوم بتشغيل جهاز، وكخلايا كهربائية عند إعادة شحنها.
مفهوم الخلايا الغلفانية
الخلية الغلفانية أو الفولتية، هي نوعٌ من أنواع الخلايا الكهروكيميائية، والتي تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، ويتم استخدامها لتوليد التيار الكهربائي عن طريق تفاعلات الأكسدة والإرجاع، التي تحدث داخل الخلية وتؤدي لتدفق الإلكترونات، ولفهم هذه العملية بالتفصيل يجب أن نفهم أولًا ما هو مفهوم الأكسدة والإرجاع.
تفاعلات الأكسدة والإرجاع
يمثل مفهوم الأكسدة والاختزال تفاعلين كيميائيين يحدثان في وقتٍ واحدٍ لتبادل الإلكترونات، والمادة المتفاعلة التي تفقد إلكتروناتها هي التي تتأكسد، بينما تكون المادة التي اكتسبت هذه الإلكترونات قد اختزلت.
مكونات الخلايا الغلفانية
تم إدخال الخلايا الكهروكيميائية أو الغلفانية كأداةٍ لدراسة الخواص الديناميكية الحرارية للأملاح المنصهرة منذ أكثر من قرنٍ، ولإنشاء خليةٍ غلفانيةٍ، علينا فهم بعض المصطلحات المهمة في الخلايا الغلفانية:
مبدأ عمل الخلية الجلفانية
تتكون الخلية الجلفانية من نصفي خلية، ويحتوي نصف الخلية الواحد على قطبٍ كهربائيٍّ مغمور، ويغمر كل نصف خليةٍ في محلول أملاحه، وأحد هذه الأقطاب هو الكاثود القطب الموجب الشحنة بينما الآخر يكون القطب السالب ويمثل الأنود، ويرتبط النصفان بواسطة السلك المعدني.
عند وصل الدارة الكهربائية، يقوم نصف الخلية الأول الأنود بعملية الأكسدة فقط بينما يقوم النصف الآخر الكاثود بعملية الاختزال فقط، ولعل أبرز مثال عن الخلايا الغلفانية هو خلية دانيال التي يتم فيها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقةٍ كهربائيةٍ، حيث يتم إرجاع أيونات النحاس في الكاثود، بينما يتأكسد الزنك في الأنود في خلية دانيال.
تكون ردود فعل خلية دانيال في الكاثود والأنود هي:
مثال تطبيقيّ عن الخلية الغلفانية
نأخد معدن النحاس والزنك، ونضعهما في حاويتين منفصلتين، ونغمر كلًّا منهما في محلوله الملحي، فيغمر الزنك في كبريتات الزنك، والنحاس في كبريتات النحاس، ونقوم بتوصيلهما بواسطة سلكٍ معدنيٍّ، مما يشكل تيارًا كهربائيًّا ينقل جميع الإلكترونات من معدنٍ لآخر، حيث يحصل تفاعل الأكسدة في قطب الزنك الذي يفقد إلكترونين، وعند وصول الإلكترونات المفقودة من الزنك لقطب النحاس، يكتسب معدن النحاس الإلكترونين، ويتم اختزالهما لتتحول لذرات نحاس تترسب على قطب النحاس.
في هذه الحالة، لا يتم خلط الملحين معًا مباشرةً، ولكن يمكن ضمهما باستخدام جسرٍ أو وسيطٍ يساعد على نقل الأيونات، ولكن يجب التأكد أيضًا من أن الملحين لا يختلطان مع بعضهما البعض، والمحاليل الملحية التي تحتوي على المعادن في الأوعية تبقى محايدةً، ولا يهم نوع الجسر الملحي المستخدم في التفاعل الكيميائي طالما أنه لايتداخل في عمليات الأكسدة والاختزال.
أنواع الخلايا الكهروكيميائية
هناك نوعان أساسيان للخلايا الكهروكيميائية وهما:
- الخلايا الغلفانية (Galvanic Cells): هي خلايا كهروكيمائية يحدث فيها تفاعلٌ كيميائيٌّ يولد التيار الكهربائي، حيث تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقةٍ كهربائيةٍ عن طريق تفاعلات الأكسدة والإرجاع التلقائية التي تسبب تدفق الإلكترونات، مثل البطاريات المستخدمة في تشغيل الأجهزة والأدوات الكهربائية.
- الخلايا الكهروليتية (Electrolytic Cells): هي خلايا تستخدم الطاقة الكهربائية لتوليد التيار الكهربائي عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال غير التلقائية، ولكنها تحتاج إلى مصدرٍ خارجيٍّ للطاقة الكهربائية لكي تعمل. ومن أمثلتها البطاريات المستخدمة في تحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين، والتي تحول خام الألومنيوم إلى معدن الألمنيوم.
تعد البطاريات القابلة لإعادة الشحن أمثلةً على كلا النوعين من الخلايا؛ فهي تعمل كخلايا غلفانية عندما تقوم بتشغيل جهاز، وكخلايا كهربائية عند إعادة شحنها.
مفهوم الخلايا الغلفانية
الخلية الغلفانية أو الفولتية، هي نوعٌ من أنواع الخلايا الكهروكيميائية، والتي تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، ويتم استخدامها لتوليد التيار الكهربائي عن طريق تفاعلات الأكسدة والإرجاع، التي تحدث داخل الخلية وتؤدي لتدفق الإلكترونات، ولفهم هذه العملية بالتفصيل يجب أن نفهم أولًا ما هو مفهوم الأكسدة والإرجاع.
تفاعلات الأكسدة والإرجاع
يمثل مفهوم الأكسدة والاختزال تفاعلين كيميائيين يحدثان في وقتٍ واحدٍ لتبادل الإلكترونات، والمادة المتفاعلة التي تفقد إلكتروناتها هي التي تتأكسد، بينما تكون المادة التي اكتسبت هذه الإلكترونات قد اختزلت.
مكونات الخلايا الغلفانية
تم إدخال الخلايا الكهروكيميائية أو الغلفانية كأداةٍ لدراسة الخواص الديناميكية الحرارية للأملاح المنصهرة منذ أكثر من قرنٍ، ولإنشاء خليةٍ غلفانيةٍ، علينا فهم بعض المصطلحات المهمة في الخلايا الغلفانية:
- قطب الأنود: تحدث فيه عملية الأكسدة.
- قطب الكاثود: تحدث فيه عملية الاختزال.
- الجسر الملحي: مكونٌ أساسيٌّ من مكونات الخلايا الغلفانية وهو عبارةٌ عن أنبوبٍ على شكل حرف U، وفيه محلول إلكترويتي، وهو جسر الاتصال أو الوسيط الذي يسمح بحدوث تفاعل الأكسدة.
- نصفا الخلية: يحدث نصف تفاعل الأكسدة في النصف الأول للخلية، ويحدث نصف تفاعل الاختزال في نصف الخلية الآخر.
- الأقطاب الكهربائية: تحدث فيها عمليات الأكسدة والاختزال التي تسمح بتوليد وتدفق التيار الكهربائي عبر الخلية الغلفانية.
- السلك المعدني: تتدفق الإلكترونات عبره بين الأقطاب الكهربائية.
مبدأ عمل الخلية الجلفانية
تتكون الخلية الجلفانية من نصفي خلية، ويحتوي نصف الخلية الواحد على قطبٍ كهربائيٍّ مغمور، ويغمر كل نصف خليةٍ في محلول أملاحه، وأحد هذه الأقطاب هو الكاثود القطب الموجب الشحنة بينما الآخر يكون القطب السالب ويمثل الأنود، ويرتبط النصفان بواسطة السلك المعدني.
عند وصل الدارة الكهربائية، يقوم نصف الخلية الأول الأنود بعملية الأكسدة فقط بينما يقوم النصف الآخر الكاثود بعملية الاختزال فقط، ولعل أبرز مثال عن الخلايا الغلفانية هو خلية دانيال التي يتم فيها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقةٍ كهربائيةٍ، حيث يتم إرجاع أيونات النحاس في الكاثود، بينما يتأكسد الزنك في الأنود في خلية دانيال.
تكون ردود فعل خلية دانيال في الكاثود والأنود هي:
- في الكاثود: Cu 2+ + 2e - → Cu
- في الأنود: Zn → Zn 2+ + 2e -
مثال تطبيقيّ عن الخلية الغلفانية
نأخد معدن النحاس والزنك، ونضعهما في حاويتين منفصلتين، ونغمر كلًّا منهما في محلوله الملحي، فيغمر الزنك في كبريتات الزنك، والنحاس في كبريتات النحاس، ونقوم بتوصيلهما بواسطة سلكٍ معدنيٍّ، مما يشكل تيارًا كهربائيًّا ينقل جميع الإلكترونات من معدنٍ لآخر، حيث يحصل تفاعل الأكسدة في قطب الزنك الذي يفقد إلكترونين، وعند وصول الإلكترونات المفقودة من الزنك لقطب النحاس، يكتسب معدن النحاس الإلكترونين، ويتم اختزالهما لتتحول لذرات نحاس تترسب على قطب النحاس.
في هذه الحالة، لا يتم خلط الملحين معًا مباشرةً، ولكن يمكن ضمهما باستخدام جسرٍ أو وسيطٍ يساعد على نقل الأيونات، ولكن يجب التأكد أيضًا من أن الملحين لا يختلطان مع بعضهما البعض، والمحاليل الملحية التي تحتوي على المعادن في الأوعية تبقى محايدةً، ولا يهم نوع الجسر الملحي المستخدم في التفاعل الكيميائي طالما أنه لايتداخل في عمليات الأكسدة والاختزال.