تلخيص الكيمياء الكهربائية (البطاريات – الخلايا الفولتية – التحليل الكهربائي) كيمياء صف ثاني عشر متقدم فصل ثاني

تلخيص الكيمياء الكهربائية (البطاريات – الخلايا الفولتية – التحليل الكهربائي) كيمياء صف ثاني عشر متقدم فصل ثاني

[ القسم – 2 البطاريات ]

البطاريات : هي عبارة عن خلايا فولتية تستخدم التفاعلات التلقائية لتوفير الطاقة العديد من الأغراض.
البطارية: هي خلية فولتية أو أكثر توجد في عبوة واحدة ينتج عنها تيار كهربائي .

تنقسم البطاريات إلى نوعين وفقا لعملياتها الكيميائية .

• – البطاريات الأولية primary battery تنتج طاقة كهربائية عن طريق تفاعلات الاختزال والأكسدة التي لا يمكن عكسها
  بسهولة . هذه الخلايا تقوم بإنتاج الطاقة الكهربائية حتى تنتهي المواد المتفاعلة وحينئذ يجب التخلص من البطارية. وتصنف خلايا الخارصين – كربون والقلوية والفضة بأنها بطاريات أولية
• البطاريات الثانوية secondary battery تعتمد على تفاعلات الأكسدة والاختزال انعكاسية لذا فهي قابلة لإعادة الشحن. بطارية السيارة وبطاريات الحواسب المحمولة هي أمثلة على البطاريات الثانوية التي تعرف أحيانا باسم بطاريات التخزين. وتعمل على تشغيل أجهزة مثل المثقاب والمفكات الكهربائية وآلات الحلاقة وكاميرات الفيديو الرقمية

 الخلية الجافة dry cell : خلية كهروكيميائية يكون فيها الإلكترولیت عبارة عن عجينة رطبة ومن أمثلتها : بطارية الخارصين – كربون الجافة , والبطارية القلوية الجافة , وبطارية الفضة الجافة.

ملاحظات :

• – يوجد فاصل من مادة مسامية ورطبة يفصل المعجون عن قطب الخارصين “الأنود”.
• – يعمل هذا الفاصل كقنطرة ملحية للسماح بنقل الأيونات مثل الخلية الفولتية
• – عندما ينتج الأمونيا ناتج الاختزال على هيئة غاز تنخفض الفولتية إلى مستوى يجعل البطارية غير مفيدة
• – يتآكل وعاء الخارصين تدريجيا مع استمرار التفاعل
• – البطاريات القلوية خلية جافة قلوية أكثر كفاءة حلت محل خلية الخارصين
• – الكربون القياسية الجافة في العديد من التطبيقات.
• – في الخلية القلوية يكون الخارصين على شكل مسحوق يوفر مزيدا من مساحة السطح للتفاعل
• – يخلط الخارصين مع هيدروكسيد البوتاسيوم مكونا معجونا قلويا قويا ويكون المعجون في وعاء فولاذي .
• – الكاثود عبارة عن أكسيد منغنيز I يخلط أيضا بهیدروکسید بوتاسيوم
• – البطاريات القلوية أصغر حجما من خلية الخارصين
• – كربون الجافة لعدم احتوائها على ساق كربون.
• – بطارية الفضة أصغر وتستخدم لتزويد الأجهزة بالطاقة مثل سماعات الأذن وساعات اليد والكاميرات.
• – تستخدم بطارية الفضة نفس التفاعل النصفي للأنود للبطارية القلوية
• – البطاريات القلوية أكثر كفاءة من خلية الكربون الخارصين الجافة وهي مفيدة حين تكون البطاريات الأصغر مطلوبة .
• – بطاريات الفضة هي أصغر مما يجعلها مناسبة أكثر للأجهزة مثل ساعات اليد

البطاريات الثانوية ( بطاريات التخزين)

• البطاريات الثانوية: تعتمد على تفاعلات أكسدة اختزال انعكاسية. لذلك تعتبر بطاريات قابلة لإعادة الشحن لأن تفاعلها قابل للانعكاس
• اثناء التفريغ: تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عبر تفاعل الأكسدة اختزال التلقائي. ( تعمل كخلية فولتية )
• اثناء إعادة الشحن: تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية عبر تفاعل أكسدة اختزال العكسي غير التلقائي. (تعمل كخلية تحليلية)

بطاريات الليثيوم 

• تمتاز بأنها ذات كتلة أقل وسعة أكبر لتشغيل الأجهزة بدءا من ساعات اليد وحتى السيارات الكهربائية
• فبينما تكون بطاريات الرصاص الحمض ثقيلة للغاية حتى أنها لا تكون ذات جدوى , تكون بطارية الليثيوم مناسبة
• الليثيوم أخف الفلزات المعروفة، كما أنه يتمتع بأقل جهد اختزال قياسي بين العناصر الفلزية v
  3.04ولذا فالبطارية التي يتأكسد فيها الليثيوم عند الأنود يمكنها أن تنتج تقريبا
  2.3 أكثر من أي بطارية مشابهة لها يتم فيها تأكسد الخارصين.
• تدوم بطاريات الليثيوم لفترة أطول من أنواع البطاريات الأخرى ونتيجة لذلك فهي تستخدم غالبا في ساعات اليد والحواسيب
  والكاميرات للحفاظ على الزمن والتاريخ والذاكرة والإعدادات الشخصية – حتى عند إطفاء الجهاز. .

فسر: ركز المهندسون اهتمامهم على عنصر الليثيوم في صناعة هذه البطاريات.؟
لأنه أخف الفلزات المعروفة. ولأنه يتمتع بأقل جهد إختزال ( يفقد الالكترونات بسهولة).

– بطاريات الليثيوم قد تكون أولية أو ثانوية
بناء على أي تفاعلات الاختزال التي تقترن بتأكسد الليثيوم.

 خلايا الوقود
تعتمد فكرتها على تفاعلات الاحتراق وهي تفاعلات أكسدة. اختزال
فعند احتراق الهيدروجين في الهواء فهو يحترق بشكل انفجاري وينتج عنه ضوء وحرارة. .

• خلية الوقود هي خلية فولتية يستخدم فيها تأكسد الوقود لإنتاج طاقة كهربائية ، تختلف خلايا الوقود عن البطاريات الأخرى
  لأنها تزود بإمداد مستمر من الوقود من مصادر خارجي. – أول خلية الوقود ظهرت عام 1839 وصنعها ويليام جروف ( 1811 – 1896 ) وهو عالم كيمياء كهربائية بريطاني وقد سمى خليتها بطارية الغاز”
• خلية الوقود الهيدروجيني التي تتحكم في تأكسد الهيدروجين وتوفر كلا من الكهرباء والماء لا ينتج عن الخلية أي نواتج
  ثانوية تحتاج للتخلص منها خلال رحلة إلى الفضاء.
• يعمل العلماء على تطوير موارد طاقة جديدة تشمل التقنيات طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية وتسخير الطاقة من المد والجزر واستخدام الاختلافات في درجة الحرارة في المسطحات المائية وغيرها الكثير.

ملاحظات

• لا يستهلك الأنود ولا الكاثود ولا الإلكتروليت
• – نظرا لأن وقود الخلية يأتي من مصدر خارجي لذلك لا تنفد خلايا الوقود كالبطاريات فهي تستمر في إنتاج الكهرباء طالما كان الوقود متاحا.
• – نواتجها أمنة بيئيا ( تنتج طاقة وماء صالح للشرب )
• ۔ بعض خلايا الوقود تستخدم أنواع وقود أخرى غير الهيدروجين
  كمثال، يحل الميثان محل الهيدروجين في بعض الخلايا ولكن يكمن عيبه في إنتاج ثاني أكسيد الكربون كغاز عادم. .
• – تستعين بعض خلايا الوقود بصفائح بلاستيكية تسمى غشاء تبادل البروتونات (PEM) والذي يلغي الحاجة لإلكتروليت سائل.

التآكل

– التأكل هو خسارة الفلز التي تنشأ عن تفاعل أكسدة – واختزال تلقائي في الطبيعة بين الفلز وبعض المواد في البيئة.
ومثال على ذلك صدأ الحديد المعروف عادة بالتآكل.

• – يجب أن يوجد كل من الماء والأكسجين لكي يحدث التأكل ؛ لهذا السبب يكون أي جسم من الحديد ، إذا تم تركه معرضا للهواء
  والرطوبة عرضة للصدأ ويصدأ الجزء الملامس للأرض الرطبة أولا.
• – عادة ما يبدأ التأكل حيث يكون هناك شق أو كسر صغير في سطح الحديد (الأنود) والكاثود يكون عند حافة قطرات الماء .

علل / يصدأ الحديد عند تعرضه للهواء الرطب ؟
عند الأنود تبدأ ذرات الحديد في فقدان الإلكترونات وتصبح أيونات الحديدII التي تذوب في الماء . تنتقل الإلكترونات عبر الحديد إلى منطقة الكاثود حيث تصبح قطعة الحديد هي الدائرة الخارجية وأيضا هي الأنود – عند الكاثود تختزل الإلكترونات الأكسجين من الهواء. – يتم توفير أيونات
H بواسطة حمض الكربونيك الذي يتكون عندما يذوب CO2 الموجود في الهواء في الماء.

ملاحظات :

• يعمل الفلز عمل السلك في خلية كهروكيميائية , ويعمل الماء عمل القنطرة الملحية (إلكتروليت) ينقل أيونات الحديد.
• لكي يحدث الصدأ ( التأكل) لابد من وجود الماء والأكسجين مع الحديد ( الفلز) و التآكل عملية بطينة لأن قطرات الماء تحتوي على أيونات قليلة لذلك فهي لا تعتبر إلكتروليتات جيدة.
• إذا احتوى الماء على أيونات وفيرة، كما في ماء البحر أو في المناطق التي ترش فيها الطرقات بالملح في فصل الشتاء فيحدث التأكل بصورة أسرع لأن هذه المحاليل هي إلكتروليتات ممتازة.
• يسرع في التآكل وجود الأملاح الذائبة أو ارتفاع حمضية الوسط لأن زيادة وجود الأيونات يسهل حركة الإلكترونات