مكونات الخلية الجلفانية

ما هي عناصر الخلية الجلفانية؟

تعتبر الخلية الجلفانية (بالإنجليزية: Galvanic Cell) أو الخلية الفولتية مصدر من مصادر الحصول على الطاقة الكهربائية من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال، باستخدام بعض العناصر والمحاليل الكيميائية، ومن أهم تطبيقاتها البطاريات ذات الاستخدامات المتعددة.[١]

كان العالم الإيطالي لويجي جلفاني عام 1790 م أول من اكتشف الخلية الغلفانية، وذلك من خلال تجربة على ضفدع، حيث قام بإيصال سلك نحاسي بعصب موجود في الجزء السفلي لضفدع مع سلك آخر مصنوع من الزنك بعضلة الساق فلاحظ انقباض عضلة ساق الضفدع، إلا أنه قد فسر هذا بطريقة خاطئة حيث قال أن أنسجة الحيوان هي مصدر الطاقة التي عملت على حركة الساق، ثم جاء لاحقًا ألساندرو فولتا وصحح ذلك، وفسر وجود الكهرباء على أنها بسبب حركة الإلكترونات بين المعدنين وأن السوائل الموجودة في الضفدع كانت وسطًا ناقلًا فقط.[٢]

للخلية الجلفانية عناصر عديدة، تساعد على إتمام عملية إنتاج التيار الكهربائي، فما هي العناصر المكونة لهذه الخلية، وما وظيفة كل عنصر؟

المصعد

المصعد (Anode)، هو أحد أقطاب الخلية الجلفانية وهو الجزء الذي يحدث فيه تفاعل الأكسدة، والأكسدة هي عملية فقد الإلكترونات. [٣]

المهبط

المهبط (Cathode)، هو القطب الآخر للخلية الجلفانية وهو الجزء الذي يحدث فيه تفاعل الاختزال، وهي عملية اكتساب الإلكترونات.[٣]

الجسر الملحي

الجسر الملحي (Salt Bridge) أو ما يسمى بالقنطرة الملحية، هو عبارة عن أنبوب (وصلة) يصل بين المصعد والمهبط، ويتميز باحتوائه على محلول كهرلي بغض النظر عن نوعه، والهدف منه إبطاء الوصول إلى حالة الإتزان الكهربائي لضمان عدم إنهاء التفاعل وبالتالي استمرار توليد الكهرباء؛ باستمرار عمليتي الأكسدة والاختزال. [٤]

وقد يكون هذا الجسر عبارة عن أنبوب زجاجي تمّ تصنيعه على شكل حرف U حيث يكون تركيز المحلول الملحي أهم عامل في التوصيل، كما يمكن الاستغناء عن الأنبوب بورقة ترشيح إذ يتم غمسها في محلول الكهرلي مثل كلوريد الصوديوم NaCl أو كلوريد البوتاسيوم KCl أو غيرها حيث يكون العامل المهم في التوصيل هو خصائص الورقة التي تتمثل في المسامية والخشونة بالإضافة إلى تركيز المحلول الذي تم غمرها به.[٤]

قطبي الخلية

قطبي الخلية (Electrodes)، هما عبارة عن أشرطة معدنية مثل النحاس أو الزنك، موصلة للتيار الكهربائي، تحدث عليها تفاعلات الخلية الجلفانية، كل منهما موجود في أحد نصفي الخلية مغمورًا بالمحاليل الكهرلية، وأحدهما يحدث له عملية أكسدة (فقدان إلكترونات) وهو المصعد، والآخر يحدث له عملية اختزال (كسب إلكترونات) وهو المهبط، ونصف الخلية؛ عبارة عن قطب خلية مغمور في محلول يحتوي أيونات نفس المعدن المكوّن للقطب.[٣]

الدائرة الخارجية

الأسلاك الخارجية (Wire) هي أسلاك موصلة تعمل على نقل الإلكترونات بين المصعد والمهبط لتتم عمليات الأكسدة والاختزال في الخلايا الجلفانية، ويمكن وضع جهاز فولتميتر لقياس الجهد الكهربائي الناتج من التفاعل[٣] ، أو مصباح للتأكد من مرور التيار الكهربائي[٥].

الحمل

يمكن وضع مصباح كهربائي كحمل في الخلية الجلفانية للتأكد من مرور التيار الكهربائي [٥]، كما يمكن وضع جهاز الفولتميتر Voltmeterليقاس الجهد الكهربائي Voltage، الناتج عن تفاعلات الخلية الجلفانية، إذ يحدث التفاعل بصورة تلقائية ويتم الحصول على تيار كهربائي ينتج عن طريق حركة الإلكترونات في تفاعلات الأكسدة والاختزال. [٦]

المصعد، المهبط، الجسر الملحي، الدائرة الخارجية، الحمل هي أجزاء الخلية الجلفانية، إذ يساعد كل جزء على إتمام عملية إنتاج التيار الكهربائي.

ما هو مبدأ عمل الخلية الجلفانية

الخلية الجلفانية هي خلية بسيطة تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الخليةإلى طاقة كهربائية تستخدم في التطبيقات المختلفة، ويستخدم لهذا الغرض قطبين موصلين ومحلولين موصلين كهربائيًا (مع الانتباه إلى منع اختلاطهما)، وفيما يلي خطوات مبدأ عمل الخلية الجلفانية: [٥]

• تتكون الأقطاب الكهربائية الموصلة من مواد مشحونة، فيكون المصعد مشحون بالشحنة السالبة (-)، والمهبط مشحون بالشحنة الموجبة (+).
• يغمر كل من القطبين في وعاء يحوي محلول ملحي لنفس نوع القطب.
• يبدأ التفاعل بفقدان المصعد إلكترونات (عملية أكسدة).
• تنتقل الإلكترونات المفقودة من وعاء المصعد إلى وعاء المهبط عبر أسلاك التوصيل.
• وفي وعاء المهبط تلتلقي إلكترونات المصعد المفقودة بأيونات المحلول وتتفاعل معها مما ينتج ذرات مادة المهبط.
• يشكل انتقال الإلكترونات بين الأوعية وعبر الأسلاك تيارًا كهربائيًا، وعادةً ما يُوضع مصباح كهربائي بين المصعد والمهبط لملاحظة سريان التيار.
• يسمح الجسر الملحي للأيونات بالحركة لضمان استمرار التفاعل فالأسلاك تسمح بحركة الإلكترونات والجسر الملحي يسمح بانتقال الأيونات دون اختلاط المحلولين بالطبع.

تحدث عملية الأكسدة في وعاء المصعد حيث يفقد المصعد الإلكترونات، وتحدث عملية الاختزال في وعاء المهبط حيث يكسب المهبط الإلكترونات، ينتج عن ذلك سريان تيار كهربائي بين أقطاب الخلية الجلفانية يمكن استغلاله في تطبيقات عدة هامة في حياتنا.

مثال على الخلية الجلفانية

من أبرز الأمثلة على الخلايا الجلفانية خلية دانيال (Daniell cell)، نسبة إلى العالم الكيميائي دانيال، ويتم صنعها يتحضير شريحة من معدن الزنك لاستخدامها كمصعد مغمور في محلول كبريتات الزنك وشريحة من معدن النحاس لاستخدامها كمهبط مغمور في كبريتات النحاس،[٧] ويكون التفاعل الكلي بالصيغة الآتية: [٨]

Zn(s) + Cu+2 (aq) –> Zn+2 (aq) + Cu(s)

حيث يكون تفاعل المصعد :                  -Zn(s) –> Zn +2(aq) + 2e ( الأكسدة: فقدان إلكترونات)

ويكون تفاعل المهبط : Cu +2(aq) + 2e– –> Cu(s) (الاختزال: كسب إلكترونات)

تعتبر خلية دانيال Daniell cell من أبرز الأمثلة على الخلايا الجلفانية، نسبة إلى العالم الكيميائي دانيال.

ما أبرز استخدامات الخلية الجلفانية في حياتنا؟

يشيع استخدامات الخلايا الجلفانية في حياتنا، وتكمن أهمية الخلايا الجلفانية في حياتنا في كونها خلية بسيطة تعمل على تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية بشكل تلقائي، ومن أهم استخداماتها ما يلي:

• تستخدم الخلايا الجلفانية في البطاريات الجافة. [٩]
• تستخدم فيخلايا الوقود [٩] (جهاز صغير قابل للحمل يولد طاقة كهربائية).[١٠]
• تستخدم لتشغيل مصباح يدوي. [١١]
• تستخدم في البطاريات التي تستخدم عند بدء تشغيل المحرك في المركبات.[١٢]
• تم استخدام الخلية الجلفانية (خلية دانيال) قبل 100 عام لتشغيل التلغراف.[١٣]

للخلايا الجلفانية أهمية بالغة واستخدامات عدة؛ في البطاريات وخلايا الوقود وغيرها، حيث أنها كانت وستبقى إحدى أهم الابتكارات في حياة البشرية.

المراجع[+]

1. ↑ “Galvanic Cells”, toppr. Edited.
2. ↑ “Galvanic Cells”, brilliant. Edited.
3. ^ أ ب ت ث “Voltaic Cells”, chem.libretexts. Edited.
4. ^ أ ب “Salt Bridge Definition”, thoughtco. Edited.
5. ^ أ ب ت “Galvanic Cells”, brilliant. Edited.
6. ↑ “Electrochemical Cells”, thoughtco. Edited.
7. ↑ “Daniell Cell”, nationalmaglab. Edited.
8. ↑ ” Galvanic Cells”, chem.libretexts. Edited.
9. ^ أ ب “Galvanic Cells”, brilliant. Edited.
10. ↑ “Fuel cells”, toppr. Edited.
11. ↑ “Making and Testing a Simple Galvanic Cell.”, scienceprojects. Edited.
12. ↑ “electrochemistry”, encyclopedia. Edited.
13. ↑ ” Galvanic Cells”, chem.libretexts. Edited.