الخلايا الكهروكيميائية

حمزة محمود ابوغوش-----التاسع(و)






الخلايا الكهروكيميائية Electrochemical Cells

لكي نحصل على طاقة كهربائية من تفاعل كيميائي أو لإحداث تفاعل كيميائي باستخدام الطاقة الكهربائية لا بد من نظام تتم فيه هذه العملية، يطلق على هذا النظام اسم الخلايا الكهروكيميائية.
إذن فالخلايا الكهروكيميائية أنظمة يتم فيها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، أو تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية، والتي تنقسم تبعا لما سبق إلى:

1- خلايا جلفانية فولتية Galvanic or Voltic Cells 
وتعرف بأنها أنظمة يتم فيها تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية نتيجة لحدوث تفاعلات كيميائية أكسدة واختزال بشكل تلقائي ومستمر.

2- خلايا الكتروليتية تحليلية Electrolytic Cells
وتعرف بأنها أنظمة يتم فيها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية لإحداث تفاعلات أكسدة واختزال ما كانت لتتم بشكل تلقائي ومستمر.

وفي جميع الخلايا الكهروكيميائية: 
يحدث التوصيل الالكتروليتي نتيجة انتقال الأيونات في المحلول أو المصهور وتفاعلات الأكسدة والاختزال .
يحدث التوصيل الالكتروني نتيجة انتقال الالكترونات في السلك أو الموصل الفلزي نتيجة فرق الجهد، وفي كل خلية قطبان أحدهما يسمى الانود والآخر يسمى الكاثود، وتحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال على سطح القطب الملامس للمحلول أو المصهور .
الانود القطب الذي تحدث عنده عملية الأكسدة.
الكاثود القطب الذي تحدث عنده عملية الاختزال .
في المحلول أو المصهور تتحرك الأنيونات (الأيونات السالبة) نحو الانود بينما تتحرك الكاتيونات نحو الكاثود .



الخلايا الجلفانية (الفولتية) Galvanic (Voltaic) Cells

تعود تسمية الخلايا الجلفانية (الفولتية) إلى كل من العالمين الإيطاليين لويجي جلفاني ( Luigi Galvani , 1737-1798 ) الذي اكتشف عام 1786 م ظاهرة تأثير الكهرباء على عضلات الضفدعة عند تشريحها باستخدام أدوات تشريح من مواد مختلفة، واليساندرو فولتا (Alessandro Volta ,1745-1827) الذي استطاع تفسير هذه الظاهرة عام 1796 م .

والآن كيف يمكن الحصول على طاقة كهربائية من تفاعل أكسدة واختزال يحدث بشكل تلقائي ومستمر؟

لندرس تفاعل الخارصين (الزنك Zn ) مع محلول كبريتات النحاس الثنائية CuSO4 :
عند غمر لوح من الخارصين ( الزنك ) في محلول كبريتات النحاس II يمكن ملاحظة ما يلي :
تآكل سطح لوح الخارصين( الزنك ).
تكون طبقة أسفنجية لونها بني غامق من النحاس ( Cu ) على سطح لوح الخارصين .
تقل شدة اللون الأزرق للمحلول تدريجيا دلالة على أن تركيز كاتيونات النحاس ( +Cu2 ) يقل في المحلول.
يزداد تركيز كاتيونات الخارصين ( +Zn2) عديمة اللون في المحلول.


يمكن تفسير ما حدث بما يلي:
1- تآكل لوح الخارصين ووجود كاتيونات الخارصين في المحلول يعود إلى حدوث عملية أكسدة لذرات الخارصين وتحولها إلى كاتيونات الخارصين.


2- ترسب ذرات النحاس على سطح الخارصين، ونقص تركيز كاتيونات +Cu2 في المحلول يعود إلى اختزال كاتيونات النحاس II وتحولها إلى ذرات تترسب على سطح الخارصين .


وبجمع نصفي التفاعلين نحصل على المعادلة التي تمثل التفاعل الحادث:


ولقد وُجِدَ أن هذا التفاعل الذي تم بشكل تلقائي يكون مصحوبا بانطلاق طاقة حرارية قدرها 217.6 kJ/mol ويمكن التعبير عن التفاعل الكلي الحادث بالمعادلة الحرارية التالية:


والسبب في انطلاق الطاقة الحرارية أن مجموع المحتويات الحرارية للمواد الناتجة اقل من مجموع المحتويات الحرارية للمواد الداخلة وبالتالي حدث التفاعل بشكل تلقائي ومستمر وأن تبادل الالكترونات تم مباشرة من سطح فلز الخارصين إلى كاتيونات النحاس II الملامسة لها في المحلول .

وبهذا لم نحصل على طاقة كهربائية وإنما حصلنا على طاقة حرارية.


والآن كيف يمكن الحصول على طاقة كهربائية من هذا التفاعل؟

يمكن ذلك إذا أمكن إحداث كل نصف تفاعل في مكان منفصل فيزيائيا عن الآخر وأن يكون جزء من دائرة كهربائية مغلقة، وفي هذه الحالة سوف تجبر الإلكترونات على أن تسري في السلك (الموصل المعدني) على صورة تيار كهربائي من المكان الذي تحدث عنده عملية الأكسدة (الانود) إلى المكان الذي تحدث عنده عملية الاختزال (الكاثود)، وبالتالي يمكن الاستفادة من التيار الناتج في الحصول على شغل مفيد ( Useful work ) وهذا ما توصل إليه العالم الإيطالي أليساندرو فولتا عام 1796 م ، وبذلك استطاع تفسير ظاهرة تأثير الكهرباء على عضلات الضفدعة، وأطلق على هذا النوع من الأنظمة الكهروكيميائية اسم الخلايا الجلفانية (الفولتية).


مما سبق نخلص إلى أنه لكي نكون خلية جلفانية (فولتية).يجب حدوث نصفي تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي في مكانين منفصلين فيزيائياً كجزء من دائرة كهربائية مغلقة، ويسمى كل نصف منهما (نصف خلية).