ماذا تعرف عن الخلية الجلفانية؟

إذا كنت لا تعرف ما هي الخلية الجلفانية؟، وما تركيبها؟ أنصحك بقراءة مقالنا السابق.

في المقال السابق كنا قد ألقينا نظرةً سريعةً على علم الكيمياء الكهربائية، وتفاعلات الأكسدة والاختزال، وأنواع الخلايا، وعلمنا أن هناك نوعان هما الخلية الجلفانية والخلية الإلكيتروليتة. يمكنك قراءته من هنا

وفي هذا المقال نودُ أن نُلقي نظرةً بشئٍ من التفصيل على بعض تطبيقات الخلايا الجلفانية، وفهم ميكانيكية عمل كل منهما.

الخلايا الجلفانية ذاتية التشغيل، ويمكن حملها، فيمكن استخدامها كبطاريات، وخلايا وقود.

وتعتبر البطارية (خلية التخزين) خلية جلفانية (أو سلسلة من الخلايا الجلفانية) التي تحتوي على جميع المتفاعلات اللازمة لإنتاج الكهرباء.

على الجانب الآخر، فإن خلية الوقود تحتاج إلى إمداد خارجي من واحد أو أكتر من المتفاعلات لتوليد الطاقة، سنتعرف في هذه المقالة على كيمياء بعض الأنواع المشهورة من البطاريات.

البطاريات

هناك نوعان أساسيان من أنواع البطاريات:

بطاريات مؤقتة، أو أولية، وفي هذا النوع تكون تفاعلات القطبين غير انعكاسية، أي أنها لا يمكن شحنها مرةً أخرى.

وبطاريات دائمة (قابلة لإعادة الشحن)، أو ثانوية والتي تحتوي على ناتج غير ذائب يلتصق على القطبين.

ويمكن شحن هذا النوع من البطاريات عن طريق تطبيق جهد في اتجاه معاكس، تُحَوّل عملية الشحن -بشكل مؤقت- من خلية جلفانية (Galvanic cell) إلى خلية إلكتروليتية (Electrolytic cell).

وتم تصميم البطاريات بعناية على نفس القوانين الأساسية للخلايا الجلفانية.

ويعتبر الفارق الرئيسي بين الخلايا الجلفانية والبطاريات التجارية هو أن البطاريات التجارية تستخدم مواد صلبة كتفاعلات بدلًا من المحاليل؛ لكي تزيد كمية الكهرباء الناتجة.

وهناك أيضًا تأثير هام لاستخدام متفاعلات صلبة أو ذات تركيزات عالية ويكمن ذلك في أن تركيز المتفاعلات والنواتج لا يتغير كثيرًا في فترة انقطاع شحن البطارية.

وعلى النقيض، فإنه في خلية الزنك والنحاس، تقل كمية الكهرباء الناتجة أثناء انقطاع شحن البطارية.

وعندما تتكون البطارية من أكثر من خلية جلفانية؛ فإن الخلايا تتصل بعضها ببعض على التوالي: حيث تتصل النهاية الموجبة (+ terminal) لخلية بالنهاية السالبة (- terminal) للخلية التالية وهكذا، وتكون محصلة الجهد الكلي هي مجموع الجهود الكلية لجميع الخلايا.

توضح الصورة السابقة ثلاثة أنواع من البطاريات الأولية (البطاريات غير القابلة للشحن – nonrechargeable).

(أ) في خلية لوكلانشيه الجافة (leclanche dry cell)، وهي عبارة عن خلية رطبة، تحتوي على إلكتروليت عبارة عن معجون ماء حمضي يحتوي على ثاني أكسيد المنجنيز MnO₂، وكلوريد الأمونيوم NH₄Cl، وكلوريد الزنك ZnCl₂، والجرافيت، والنشا.

على الرغم من كونها غير مكلفة في التصنيع، إلا أنها غير فعالة في إنتاج الطاقة الكهربائية، ولها فترة عمرية محددة.

(ب) في بطارية الزر (Button battery)، يكون الأنود عبارة عن رصاص الزنك الممغنط، والكاثود عبارة عن إما أكسيد الزئبق (HgO)، أو أكسيد الفضة (Ag₂O) كمؤكسد.

تعتبر بطارية الزر فعالة؛ حيث إنها تنتج طاقة عالية، مما يجعلها تستخدم في العديد من التطبيقات مثل الساعات، والآلات الحاسبة.

(ج) في بطارية الليثيوم-يود، تتكون من خليتين منفصلتين بشبكة من النيكل الفلزي التي تجمع الشحنات من الأنود. ويتكون الأنود من معدن الليثيوم، والكاثود من متراكب من اليود الصلب.

يتكون الإلكتروليت من طبقة من يوديد الليثيوم، والتي تسمح بمرور أيونات الليثيوم الموجبة من الكاثود إلى الأنود.

على الرغم من أن هذا النوع من البطاريات ينتج طاقة صغيرة، إلا أنه فعال جدًا، وله فترة عمرية كبيرة.

أمثلة على الخلية الجلفانية:

1- خلية لوكلانشيه الجافة: (Leclanche cell)

تسنخدم هذه الخلية الجافة، والتي هي أشهر أنواع البطاريات، في الكشافات، والأجهزة الإلكترونية، مثل الكاسيت (Walkman)، وألعاب الأطفال، والعديد من الأجهزة الأخرى.

على الرغم من حصول الكيميائي الفرنسي جورج لولكلانشيه على براءة اختراع في هذه الخلية عام 1866، وأنه يباع حوالي 5 مليار خلية كل عام، إلا أن كيمياء القطب لهذه الخلية لا تزال معقدة وغير مفهومة.

وعلى الرغم من تسميتها بخلية لوكلانشيه الجافة؛ إلا أنها رطبة.

ويتكون الإلكتروليت بها -كما ذكرنا من قبل- من معجون ماء حمضي يحتوي على ثاني أكسيد المنجنيز MnO₂، وكلوريد الأمونيوم NH₄Cl، وكلوريد الزنك ZnCl₂، والجرافيت، والنشا.

تتم تفاعلات كل من الأنود والكاثود كالاتي:

الأنود:

2MnO_2(s) + 2NH⁺_4(aq) 2e^– → Mn₂O_3(s) + 2NH_3(aq) + H₂O (1)

الكاثود:

^–Zn_(s) → Zn²⁺_(aq) + 2e

تتكون أيونات الخارصين الموجبة (Zn⁺²) عن طريق أكسدة الخارصين الصلب (Zn)، والتي تتفاعل مع الأمونيا (NH₃) المتكونة على الكاثود، وأيونات الكلور (^–Cl) الموجودة فعليًا في المحلول؛ ليكون التفاعل الكلي كالآتي:

2MnO_2(s) + 2NH₄Cl_(aq) + Zn_(s) → Mn₂O_3(s) + Zn(NH₃)₂Cl_2(s) + H₂O

تنتج الخلية الجافة حوالي 1.55 فولت وغير مكلفة الصنع، وعلى الرغم من ذلك فإنها تعمل بكفاءة؛ وذلك بسبب أكسيد الماغنيسيوم MnO_{2 ­}الذي يُختزل جزء منه على الكاثود، كما أن جزءً صغيرًا من الزنك يُستهلك على الكاثود كما لو أن الخلية تُشحن.

علاوة على ذلك، فإن الخلية الجافة لها عمر محدد؛ بسبب أن الخارصين الموجود على الأنود يتفاعل مع كلوريد الأمونيوم NH₃Cl مما يسبب تآكل ونفاد المواد.

2- بطاريات الزر (Button Battery)

على الرغم من أن بطارية الزر الصغيرة تستخدم في الساعات، والآلات الحاسبة، والكاميرات، إلا أنها بطاريات قلوية مصغرة، يعتمد معظمها على كيمياء مختلفة تمامًا.

في هذا النوع، يتكون الكاثود من الخارصين والرصاص المملغم (zinc-mercury amalgam)، وليس الزنك النقي، وفي الكاثود يوجد أكسيد الزئبق (HgO) أو أكسيد الفضة (Ag₂O) بدلًا من ثاني أكسيد المنجنيز (MnO₂).

تتم تفاعلات الكاثود، والأنود، والتفاعل الكلي كما الآتي:
الكاثود (بطارية الرصاص):

HgO_(s) + H₂O_(l) + 2e^‑ → Hg_(l) + 2OH^–_(aq)

الأنود (بطارية الرصاص):

^–Zn + 2OH^–   → ZnO + H₂O + 2e

 التفاعل الكلي (بطارية الرصاص):

Zn_(s) + HgO_(s) → Hg_(l) + ZnO_(s)

3- بطارية يوديد الليثيوم (Lithium-iodine baterry)

لا توجد بطارية من المذكورتين سلفًا تُعتبر جافة تمامًا، ولكن تحتوي كل منهما على نسبة ضئيلة من المياه السائلة، والتي تُغير من الكتلة، وتسبب مشاكل التآكل.

وعلى ذلك، فلقد بُذلت جهود كبيرة؛ لإنتاج بطارية خالية تمامًا من الماء، واحدة من البطاريات التجارية القليلة الخالية من الماء هي بطارية يوديد الليثيوم.

يتكون الأنود فيها من معدن الليثيوم، والكاثود من متراكب صلب من اليود، يفصل بينهما طبقة صلبة من يوديد الليثيوم، والتي تمثل الإلكتروليت في البطارية، وتسمح بانتشار أيونات الليثيوم الموجبة.

تفاعلات الأقطاب تكون كالاتي:

الكاثود (الاختزال):

^–I₂ + 2e^– → 2I

الآنود (الأكسدة):

^–2Li_(s) → Li⁺ + 2e

التفاعل الكلي:

^–2Li_(s) + I₂ → Li⁺ + 2I

ويكون الجهد الكلي للبطارية: 3.5 فولت.

خِتامًا، أود أن أنوه أن هذا الطرح المتواضع لم يضم بين جنباته كل أنواع وتطبيقات الخلايا الجلفانية، ولكن هي لَمحةٌ سريعةٌ؛ عساها تمكنك من فهم آلية عمل بعض البطاريات المستخدمة بشكل دائمٍ، ويومي تقريبًا.