كيمياء – أنواع الخلايا الجلفانية للصف الثالث الثانوى 2016

كيمياء – أنواع الخلايا الجلفانية للصف الثالث الثانوى 2016

 أنواع الخلايا الجلفانية

•  خلايا أولية

• خلايا ثانوية

أولا: الخلايا الأولية

هى خلايا يتم فيها تخزين الطاقة فى صورة طاقة كيميائية يمكن تحويلها عند اللزوم إلى طاقة كهربية من خلال تفاعل أكسدة وإختزال تلقائى غير إنعكاسى .

 

مميزات الخلايا الأولية

صغيرة الحجم جهدها ثابت لمدة طويلة أثناء تشغيلها .

سهلة الإستخدام خصوصاً فى الأجهزة المتنقلة لأنها فى صورة جافة وليست سائلة لذلك عرفت باسم البطاريات الجافة.

عيوب الخلايا الأولية

1. جهدها صغير .

2. تتوقف عن العمل عندما تستهلك مادة الآنود أو تنضب أيونات نصف خلية الكاثود .

3. خلايا غير إنعكاسية لأنه لا يسهل عملياً بل ربما يستحيل إعادة شحنها لأن التفاعلات التى تحدث داخلها تفاعلات غير إنعكاسية مما يقلل قيمتها الإقتصادية .

أمثلتها : 

• خليةالوقود

• خليةالزئبق

 أ: خلية الزئبق

الآنود (مصعد): قطب من الخارصين

الكاثود (موجب): أكسيد زئبق

الإلكتروليت: هيدروكسيد البوتاسيوم

ق.د.ك. =1,35 فولت

 

التفاعل الكلي:

الرمز الإصطلاحي:    

الشكل: اسطوانى أو على هيئة قرص .

الإستخدام: صغيرة الحجم لذا فهى شائعة الإستخدام فى : سماعات الأذن – آلات التصوير – الساعات الصغيرة .

علل: لابد من التخلص من خلية الزئبق بطريقة آمنة؟

جـ: لإحتوائها على الزئبق وهو مادة سامة

ب: خلية الوقود

من المعروف أن الهيدروجين يحترق فى الهواء بعنف وينتج عن عملية الإحتراق ضوء وحرارة

وقد تمكن العلماء من إجراء هذا التفاعل تحت ظروف يمكن التحكم فيها داخل ما يعرف بخلية الوقود .

تركيب خلايا الوقود

 قطبين كلاً منهما على هيئة وعاء مجوف يتم تبطينه بطبقة من الكربون المسامى .

1. حجرة داخلية بها محلول إلكتروليتى ( غالباً محلول هيدروكسيد البوتاسيوم المائى )

أهمية طبقة الكربون المسامى : تسمح بإتصال القطبين بحجرة داخلية موجود بها إلكتروليت .

 

خصائص خلايا الوقود

1. لا تستهلك كباقى الخلايا الجلفانية ( علل )    لأنه يتم تزويدها بالوقود من مصدر خارجى .

2. الماء الناتج عنها يكون على صورة بخار ( علل)   لأنها تعمل تحت درجة حرارة عالية .

3. لا تختزن الطاقة داخلها ( علل)    لأن عملها يعتمد على تزويدها بالوقود بصورة مستمرة وسحب المواد الناتجة منها بإستمرار

4. لها أهمية بالغة فى مركبات الفضاء ( علل)  لأن الوقود المستخدم فى تشغيلها هو نفس الوقود المستخدم فى تشغيل صواريخ الفضاء – يستخدم بخار الماء الناتج منها بعد تكثيفه كماء للشرب فى الفضاء .

التفاعلات التي تحدث داخل خلية الوقود:

س: قارن بين خلية الوقود وخلية الزئبق

وجه المقارنة	خلية الوقود	خلية الزئبق
نوع الخلية	خلية أولية	خلية أولية
القطب السالب(الآنود)	وعاء مجوف يتم تبطينه من الكربون المسامي	الخارصين Zn
القطبالموجب(الكاثود)		أكسيد الزئبق ( HgO)
الإلكتروليت	محلول هيدروكسيد بوتاسيوم مائي	محلول هيدروكسيد البوتاسيوم
التفاعل الكلي	2H2 +O2      2H2O	Zn+HgO       ZnO+Hg
الرمز الإصطلاحي	2H2/4H+//O2/2O-2	Zn/Zn+2//Hg+2/Hg
ق.د.ك	1,23 فولت	1,35 فولت

ثانياً: الخلايا الثانوية:

هى خلايا (جلفانية)  يتم فيها تخزين الطاقة الكهربية على هيئة طاقة كيميائية يمكن تحويلها مرة أخرى إلى طاقة كهربية من خلال تفاعلات أكسدة وإختزال تلقائية إنعكاسية .

مميزات الخلايا الثانوية

• تفاعلاتها الكيميائية تفاعلات إنعكاسية .

• يمكن إعادة شحنها عن طريق توصيل أقطابها بمصدر تيار خارجى لتعود مكوناتها إلى حالتها الأصلية مما يسمح باستخدامها مرة أخرى .

 

أمثلتها:

         أ‌- بطارية الرصاص الحامضية ” بطاريةالسيارة = المركم”

        ب‌- بطارية أيون الليثيوم الجافة

أ- بطارية الرصاص الحامضية

1. تم تطويرها وأصبحت من أنسب أنواع البطاريات المستخدمة في السيارت ولذا فهي تعرف ببطارية السيارة

2. تفصل ألواح الآنود والكاثود بصفائح عازلة

3. توضع مكونات البطارية في وعاء مصنوع من المطاط الصلب أو البلاستيك (بولي ستيرين) لأنه لا يتأثر بالأحماض.

4. تعتبر البطارية أثناء تشغيلها (التفريغ) خلية جلفانيةواثناء الشحن خلية إلكتروليتية

5. تتكون البطارية من 6 خلايا متصلة معاً على التوالي، كل خلية تنتج 2 فولت فيكون الجهد الكلي 12 فولت (2×6=12 فولت)

6. يستخدم الدينامو في السيارة وبصورة مستمرة في إعادة شحن البطارية أولا بأول.

تركيب بطارية الرصاص

الأنود(مصعد): شبكة من ألواح الرصاص مملوءة برصاص إسفنجيPb

الكاثود(موجب): شبكة من ألواح الرصاص مملوءة بعجينة من ثاني أكسيد الرصاص PbO₂

اللإلكتروليت: حمض كبريتيك مخفف H₂SO₄

أولاً: تفاعلات التفريغ (تعمل كخلية جلفانية)

س: كيف يمكنك التعرف على أن البطارية مشحونة أو غير مشحونة؟

جـ: يتم التعرف على حالة البطارية بقياس كثافة الحمض بواسطة جهاز مقياس كثافة السوائل (الهيهدروميتر) ويتم ذلك كالتالي:

• إذا كانت كثافة الحمض (1,28- 1,3 جم/سم³) كانت البطارية مشحونة.

• إذا كانت كثافة الحمض أقل من 1,2 جم/ سم³فهذا يعني أنها تحتاج لإعادة شحن.

ثانياً: تفاعل الشحن (تعمل الخلية كخلية تحليلية)

س : ماذا يحدث عند استخدام بطارية السيارة لفترة طويلة؟

استخدام البطارية لمدة طويلة يؤدى إلى ضعف كمية التيار الكهربى الناتج منها بسبب تحول كل من مادة أقطاب الآنود

 Pb ومادة أقطاب الكاثود (PbO₂ ) والحمض إلى كبريتات الرصاص وماء فينقص تركيز حمض الكبريت يكفيها بسبب زيادة الماء.

س علل : نقص التيار الناتج من بطارية السيارة عند إستخدامها لفترة طويلة .

جـ: لأن إستعمالها لفترة طويلة يؤدى إلى تحول مواد الآنود PbO والكاثود PbO₂ والحمض إلى كبريتات الرصاص وماء في نقص تركيز حمض الكبريت يكفيها بسبب زيادة الماء الناتج من التفاعل.

س : يجب شحن المركم من آن لآخر .

ج :لأن إستعمالها لفترة طويلة يؤدى إلى ضعف التيار الناتج منها بسبب تحول مواد ………………… (أكمل )

تتم عملية الشحن بتوصيل أقطاب البطارية بمصدر جهد مستمر جهده أعلى قليلاً من الجهد الناتج من البطارية

(غالباً ما يحدث ذلك فى السيارة باستخدام الدينامو الموجود بها (مما يؤدى إلى) :

1. حدوث تفاعل عكس التفاعل التلقائى الذى حدث أثناء عملية التفريغ .

2. تتحول كبريتات الرصاص II إلى رصاص عندالآنود (مصعد) وثانى أكسيد الرصاص عند الكاثود (مهبط) .

3. يعود تركيز الحمض إلى ما كان عليه .

تفاعل الشحن:

علل : المركم الرصاصى يعتبر خلية إنعكاسية.

ج : لأنه عند توصيل قطبى البطارية بمصدر تيار كهربى مستمر جهده أكبر قليلاً من جهد البطارية يحدث تفاعل

عكسى وتتحول كبريتات الرصاص إلى رصاص عند الآنود وثانى أكسيد الرصاص عند الكاثود كما يعيد التفاعل

تركيز الحمض إلى ما كان عليه

 

ب- بطارية أيون الليثيوم الجافة (قابلة للشحن)

تركيبها:

غلاف معدنى يحتوى فى داخله على ثلاثة رقائق ملفوفة بشكل حلزونى ( الإلكترود الموجب – الإلكترود السالب – العازل ) تغمر هذه الرقائق الثلاثة فى محلول إلكتروليتى هو سداسى فلوريد فوسفات ليثيوم لا مائى (LiPF₆)

الإلكترودالموجب (الكاثود): أكسيدأكسيد الليثيوم كوبلت LiCoO₂

الإلكترودالسالب (الآنود): جرافيت ليثيوم LiC₆

العازل:  شريحة رقيقة جداً من البلاستيك تعمل على عزل الإلكترود الموجب عن السالب بينما تسمح للأيونات بالمرور منخلاله .

الإلكتروليت: إلكتروليت لا مائي من سداسي فلوروفوسفيد الليثيوم (LiPF₆)

 

مميزات بطارية أيون الليثيوم

صغيرة الحجم،يمكن إعادة شحنها ،مصمتة وخفيفة ولا يتصاعد منها غازات، تعطي قوة دافعة كهربية = 3 فولت

إستخدامات بطارية أيون الليثيوم

أجهزة التليفون المحمول – أجهزة الكمبيوتر المحمول (لابتوب) (بعض السيارات الحديثة ) بديل لبطارية المركم الرصاصى

علل : تستخدم بطارية أيون الليثيوم فى بعض السيارات الحديثة بديلاً لبطارية المركم الرصاصى.

لخفة وزنها – قدرتها العالية على تخزين كميات كبيرة من الطاقة مقارنة بحجمها .

علل : يدخل عنصر الليثيوم فى تركيب بطارية أيون الليثيوم.

لأنه : أخف الفلزات المعروفة – جهد إختزاله القياسى (E^o = – 3,04 V) هو الأصغر بالنسبة لباقى الفلزات.

علل: تعتبر الخلايا الثانوية ( المركم ) بطاريات لتخزين الطاقة .

جـ : لأنه يتم فيها تخزين الطاقة الكهربية من المصدر الخارجى على هيئة طاقة كيميائية أثناء الشحن .

لاحظ أن:

إتجاه حرجة أيونات الليثيوم وإتجاه حركة الإلكترونات في الإلكتروليت دائماً من الآنود إلى الكاثود أثناء عمليتي الشحن والتفريغتحدث التفاعلات التالية عند تشغيل البطارية

 
 

[url=http://cairodar.youm7.com/flashes/PDFfiles/chemistry arabic ch 4 l 2.pdf] لتحميل الدرس بصيغة PDF اضغط هنا..[/url]