وحدة الكيمياء الكهربائية مع الحل كيمياء صف ثاني عشر متقدم فصل ثاني

وحدة الكيمياء الكهربائية مع الحل كيمياء صف ثاني عشر متقدم فصل ثاني

[ البطاريات ]

الخلايا الجافة
بعض التفاعلات التلقائية التي درستها توفر الطاقة البطاريات التي تستخدمها يوميا. البطارية هي خلية فولتية أو أكثر توجد في عبوة واحدة ينتج عنها تيار كهربائي. منذ ابتكار البطاريات في ستينيات القرن التاسع عشر وحتى اليوم كان أكثر الخلايا الفولتية شيوعا في الاستخدام هي خلية الخارصين – الكربون الجافة، الموضحة في الشكل 8.

خلايا الخارصين – الكربون الجافة

تعرف الخلية الجافة بأنها خلية كهروكيميائية يكون فيها الإلكتروليت عبارة عن عجينة رطبة. تتكون العجينة الموجودة في خلية الخارصين – الكربون الجافة من كلوريد الخارصين وأكسيد المنجنيز وكلوريد الأمونيوم وكمية قليلة من الماء داخل عبوة الخارصين. غلاف الخارصين هو أنود الخلية حيث تحدث أكسدة لفلز الخارصين وفقا للمعادلة التالية:

البطاريات القلوية

خلية جافة قلوية أكثر كفاءة، موضحة في الشكل و 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 قوياً ويكون المعجون في وعاء فولاذي. مزيج الكاثود عبارة عن أكسيد منغنيز (1) يخلط أيضا بهیدروکسید بوتاسيوم. تفاعل الانود لنصف الخلية هو كالتالي:

تفاعل الكاثود لنصف الخلية هو كالتالي

لا تحتاج البطاريات القلوية لكاثود ساق الكربون لذا من الممكن أن تكون أصغر وأكثر فائدة للأجهزة الصغيرة.

بطاريات الفضة

إن بطارية الفضة الموضحة في الشكل و أصغر وتستخدم التزويد الأجهزة بالطاقة مثل سماعات الأذن وساعات اليد والكاميرات. تستخدم بطارية الفضة نفس التفاعل النصفي للأنود للبطارية القلوية مع التفاعل النصفي التالي للكاثود.

البطاريات الأولية والثانوية

تنقسم البطاريات إلى نوعين وفقا لعملياتها الكيميائية. تصنف خلايا الخارصين – كربون والقلوية والفضة بأنها بطاريات أولية. البطاريات الأولية 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. أما البطاريات الأخرى والتي تعرف باسم البطاريات الثانوية، فتعتمد 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.

بطارية التخزين رصاص- حمض

من بطاريات التخزين الشائعة الأخرى هي بطارية الرصاص- حمض التي تستخدم في السيارات. تحتوي معظم بطاريات السيارات على ست خلايا تنتج كل منها حوالي 27 بناتج إجمالي 12 فولت. يتكون أنود كل خلية من شبكتين أو أكثر من الرصاص المسامي ويتكون الكاثود من شبكات من الرصاص المملوء بأكسيد الرصاص (IV)، هذا النوع من البطاريات في الغالب يجب تسميته بطارية الرصاص – أكسيد الرصاص (IV) ولكن يستخدم المصطلح الرصاص الحمض لأن إلكتروليت البطارية هو محلول من حمض الكبريتيك، بطارية الرصاص الحمض ليست خلية جافة.

تمثل المعادلة التالية تفاعل الأكسدة لنصف الخلية عند الأنود حيث تأكسد الرصاص من حالة الأكسدة صفر إلى حالة الأكسدة 12 في PbSO4(s) + 2e

اختزال الرصاص من 4 إلى حالة الأكسدة 2+ يحدث في الكاثود. تفاعل الاختزال لنصف الخلية عند الكاثود هو :

التفاعل الكلي هو :

الارتفاع الحراري

هو تأثير متسلسل للتفاعل الطارد للحرارة يزيد من درجة حرارة الوسط الذي يحدث فيه التفاعل والذي بدوره يزيد سرعة التفاعل أكثر مما ينتج عنه حرارة أكبر. يسبب ارتفاع في حدوث الحوادث الصناعية الكيميائية.
إذا تم التصنيع على نحو غير صحيح، يمكن أن تتعرض بطاريات أيون الليثيوم محكمة الإغلاق للارتفاع الحراري، مما ينتج عنه حرارة زائدة ويمكن أن تنفجر. در أن بطاريات الهواتف النقالة تسببت في حدوث حرائق وانفجارات. لمنع الحوادث التي تتسبب فيها بطاريات أيون الليثيوم

بطاريات الليثيوم

على الرغم من أن بطاريات الرصاص الحمض يمكن الاعتماد عليها وهي مناسبة للعديد من التطبيقات، ظل المهندسون يعملون لتطوير البطاريات لتصبح ذات كثلة أفل وسعة أكبر لتشغيل الأجهزة بدا من ساعات اليد وحتى السيارات الكهربائية في التطبيقات التي تكون البطارية فيها هي المكون الرئيسي ويجب أن تنتج مقدارا كبيرا من الطاقة، كما في تشغيل السيارة الكهربائية، تكون بطاريات الرصاص الحمض ثقيلة للغاية حتى أنها لا تكون ذات جدوى
والحل هنا هو تطوير بطاريات خفيفة الوزن تعمل على تخزين كمية كبيرة من الطافة نناسب حجمها، وقد ركز المهندسون اهتمامهم على عنصر الليثيوم لسببين هما أن الليثيوم أخف الفلزات المعروفة، كما أنه يتمتع بأقل جهد اختزال قياسي بين العناصر الفلزية V.304 فالبطارية التي يتأكسد فيها الليثيوم عند الأنود يمكنها أن تنتج تقريبا 2.37 أكثر من أي بطارية مشابهة لها بنم فيها تأكسد الخارصين

 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 مصدر خارجي. يعتقد كثير من الناس أن خلية الوقود هي ابتكار حديث ولكن أول خلية ظهرت عام 1839 وصنعها ويليام جروف (1896-1811) وهو عالم كيمياء كهربائية بريطاني وقد سمي خليته “بطارية الغاز”. ولم يبدأ العلماء العمل بجد في برنامج الفضاء حتى خمسينيات القرن العشرين حين تم تصنيع خلايا وقود عملية وتتمتع بالكفاءة. إذا كان رواد الفضاء سيصعدون على متن مكوك فضائي، فسيكونون في حاجة لإمدادات من الماء لتساعدهم على الحياة فيه بالإضافة إلى مصدر كهرباء موثوق به لتشغيل الأنظمة المتعددة في المكوك. وقد تم استيفاء هذين المطلبين بعد صنع 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.

كيف تعمل خلية الوقود

كما هو الحال في الخلايا الفولتية الأخرى، تشتمل خلية الوقود على أنود “قطب موجب” وكاثود “قطب سالب ” .وهي تحتاج إلى إلكترو ليت حتى تستطيع الأيونات الانتقال بين الأقطاب. المحلول الإلكترو ليتي الشائع في الخلايا الفولتية هو محلول قلوي من هيدروكسيد البوتاسيوم، كل قطب يكون عبارة عن غرفة خالية جدرانها من الكربون المسامي التي تسمح بالتلامس بين الغرفة الداخلية والإلكتروليت المحيط بها. يحدث التفاعل النصفي التالي للتأكسد عند الأنود.

التآكل

هو عملية بطيئة لأن قطرات الماء تحتوي على أيونات قليلة لذلك فهي لا تعتبر إلكتروليتات جيدة، ومع ذلك، إذا احتوى الماء على أيونات وفيرة، كما في ماء البحر أو في المناطق التي قرش فيها الطرقات بالملح في فصل الشتاء فيحدث التآكل بصورة أسرع لأن هذه المحاليل هي إلكترولینات ممتازة،

منع التأكل

يتسبب صدأ السيارات والجسور والسفن وهياكل المباني والأجسام الفلزية الأخرى في حدوث أضرار كبيرة جدا، لهذا السبب تم ابتكار عدة وسائل للتقليل من حدوث التأكل من الطرائق إضافة طبقة من الطلاء لعزل كل من الهواء والرطوبة ولكن نظرا لأن الطلاء بتأكل مع مرور الزمن، تجب إعادة طلاء هذه الأجسام كالأنبوب الوارد من حين لآخر.