المصادر الكيميائية للتيار الكهربائي. الخلايا الجلفانية

بالإضافة إلى التحليل الكهربائي ، من الممكن وجود نوع آخر من تفاعل الأكسدة والاختزال. في هذه الحالة ، تمر الإلكترونات من العامل المختزل إلى العامل المؤكسد عبر الموصل المعدني عبر دائرة كهربائية خارجية. نتيجة لذلك ، ينشأ تيار كهربائي في الدائرة الخارجية ، ويسمى هذا الجهاز خلية جلفانية. الخلايا الجلفانية مصادر التيار الكيميائي - أجهزة التحويل المباشر للطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية متجاوزة أشكالها الأخرى.
وجدت الخلايا الجلفانية القائمة على معادن مختلفة ومركباتها تطبيقات عملية واسعة كمصادر للتيار الكيميائي.

في الخلية الجلفانية ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. تتكون أبسط خلية جلفانية من سفينتين مع محاليل CuSO 4 و ZnSO 4 ، حيث يتم غمر صفائح النحاس والزنك ، على التوالي. تتصل الأوعية ببعضها البعض بواسطة أنبوب يسمى جسر ملحي مملوء بمحلول إلكتروليت (مثل بوكل). مثل هذا النظام يسمى خلية جلفانية من النحاس والزنك.

من الناحية التخطيطية ، تظهر العمليات التي تحدث في خلية جلفانية من النحاس والزنك ، أو بعبارة أخرى ، دائرة للخلية الجلفانية في الشكل أدناه.

مخطط الخلية الجلفانية

تتم عملية أكسدة الزنك عند الأنود:

Zn - 2E - \u003d Zn 2+.

ونتيجة لذلك ، تتحول ذرات الزنك إلى أيونات تدخل في محلول ، ويذوب أنود الزنك ، وتقل كتلته. لاحظ أن القطب الموجب في الخلية الجلفانية هو قطب سالب (بسبب الإلكترونات التي يتم الحصول عليها من ذرات الزنك) على عكس عملية التحليل الكهربائي ، حيث يتم توصيله بالقطب الموجب للبطارية الخارجية.

تنتقل الإلكترونات من ذرات الزنك على طول دائرة كهربائية خارجية (موصل معدني) إلى القطب السالب ، حيث تتم عملية استعادة أيونات النحاس من محلول ملحها:

نحاس 2 + + 2E - \u003d نحاس.

نتيجة لذلك ، تتشكل ذرات النحاس ، والتي تترسب على سطح الكاثود ، وتزداد كتلتها. الكاثود في الخلية الجلفانية هو قطب موجب الشحنة.

يمكن تمثيل المعادلة الكلية للتفاعل في خلية جلفانية من النحاس والزنك على النحو التالي:

Zn + Cu 2+ \u003d Zn 2+ + Cu.

في الواقع ، يحدث تفاعل استبدال النحاس بالزنك في ملحه. يمكن إجراء نفس التفاعل بطريقة أخرى - اغمر صفيحة الزنك في محلول CuSO 4. في هذه الحالة ، يتم تشكيل نفس المنتجات - أيونات النحاس والزنك. لكن الاختلاف بين التفاعل في خلية جلفانية من النحاس والزنك هو أن عمليات الارتداد والتعلق بالإلكترونات مفصولة مكانيًا. لا تحدث عمليات الارتداد (الأكسدة) والتعلق (الاختزال) للإلكترونات أثناء الاتصال المباشر لذرة الزنك مع أيون Cu 2+ ، ولكن في أماكن مختلفة من النظام - عند الأنود والكاثود ، على التوالي ، والتي يتم توصيلها بواسطة موصل معدني. بهذه الطريقة لإجراء هذا التفاعل ، تنتقل الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب على طول دائرة خارجية ، وهي موصل معدني. التدفق الموجه والمنظم للجسيمات المشحونة (في هذه الحالة ، الإلكترونات) هو كهرباء... يتم توليد تيار كهربائي في الدائرة الخارجية للخلية الجلفانية. تحتاج إلى تشغيل JavaScript للتصويت

مثال على خلية كيميائية كلفانية هي خلية جاكوبي دانيال (الشكل 6). يتكون من قطب نحاسي (صفيحة نحاسية مغموسة في محلول CuSO 4) وقطب كهربي من الزنك (صفيحة زنك مغمورة في محلول ZnSO 4). يظهر DES على سطح صفيحة الزنك ويتم إنشاء التوازن

Zn ⇄ Zn 2+ + 2ē

في هذه الحالة ، ينشأ جهد القطب الكهربائي للزنك ، وسيكون لدائرة القطب شكل Zn | ZnSO 4 أو Zn | Zn 2+.

وبالمثل ، يظهر DES أيضًا على صفيحة نحاسية ويتم إنشاء التوازن

نحاس ⇄ نحاس 2+ + 2ē

لذلك ، يظهر جهد قطب كهربائي للنحاس ، وستكون دائرة القطب الكهربائي على شكل Cu | CuSO 4 أو Cu | Cu 2+.

على القطب Zn (أكثر نشاطًا كهروكيميائيًا) ، تتم عملية الأكسدة: Zn - 2ē → Zn 2+. على القطب النحاس (أقل نشاطًا كهربيًا) ، تتم عملية الاختزال: Cu 2+ + 2ē → Cu.

الشكل: 6 رسم تخطيطي لخلية جلفانية من النحاس والزنك

المعادلة الكلية للتفاعل الكهروكيميائي:

Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu

أو Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu

نظرًا لأن مخطط الخلية الكيميائية الجلفانية مكتوب وفقًا لقاعدة "right plus" ، فإن مخطط خلية Jacobi - Daniel سيكون له الشكل

يشير الشريط المزدوج في الرسم التخطيطي إلى التلامس الإلكتروليتي بين الأقطاب الكهربائية ، وعادة ما يتم ذلك عن طريق جسر الملح.

في الخلية الجلفانية المنغنيز والزنك (الشكل 7) ، كما في خلية النحاس والزنك ، يعمل قطب الزنك كقطب موجب. يتم ضغط القطب الموجب من خليط من ثاني أكسيد المنغنيز مع الجرافيت وسخام الأسيتيلين على شكل عمود "تكتل" ، في منتصفه قضيب كربون - موصل سفلي.

الشكل: 7 رسم تخطيطي لخلية الزنك والمنغنيز الجافة

1 - الأنود (كأس الزنك) ، 2 - الكاثود (خليط من ثاني أكسيد المنغنيز مع الجرافيت) ، 3 - موصل الجرافيت السفلي مع غطاء معدني ،

4 - المنحل بالكهرباء

يحتوي الإلكتروليت المستخدم في خلايا الزنك والمنغنيز ، التي تحتوي على كلوريد الأمونيوم ، على تفاعل حمضي ضعيف بسبب التحلل المائي لـ NH 4 CI. في الإلكتروليت الحمضي ، تحدث عملية تشكيل التيار على القطب الموجب:

MnO 2 + 4H + + 2ē → Mn 2+ + 2H 2 O

في إلكتروليت برقم هيدروجيني 7-8 ، يوجد عدد قليل جدًا من أيونات الهيدروجين ويبدأ التفاعل في المضي قدمًا بمشاركة الماء:

MnO 2 + H 2 O + ē → MnOOH + OH -

MnOOH هو هيدروكسيد المنغنيز (III) غير مكتمل - المنجانيت.

عندما يتم استهلاك أيونات الهيدروجين في عملية التشكيل الحالية ، يصبح المنحل بالكهرباء متعادلًا أو حتى قلويًا من حامضي. لا يمكن الحفاظ على تفاعل حمضي في إلكتروليت الملح أثناء تفريغ الخلايا. من المستحيل إضافة حمض إلى إلكتروليت الملح ، حيث سيؤدي ذلك إلى تفريغ ذاتي قوي وتآكل لإلكترود الزنك. عندما يتراكم المنجانيت على القطب ، يمكن أن يتفاعل جزئيًا مع أيونات الزنك المتكونة أثناء تفريغ القطب الكهربائي للزنك. في هذه الحالة ، يتم الحصول على مركب قليل الذوبان - جيتيروليت ، ويتم تحمض المحلول:

2MnOOH + Zn 2+ → ZnO ∙ Mn 2 O 3 + 2Н +

يحمي تكوين الجيتروليت الإلكتروليت من القلوية أكثر من اللازم عند تفريغ الخلية.

من أجل رسم مخطط لخلية كلفانية ، من الضروري فهم مبدأ عملها ، السمات الهيكلية.

نادرًا ما ينتبه المستهلكون للمراكم والبطاريات ، ومصادر الطاقة هذه هي الأكثر طلبًا.

مصادر الطاقة الكيميائية

ما هي الخلية الجلفانية؟ تعتمد دائرتها على إلكتروليت. يشتمل الجهاز على وعاء صغير يحتوي على المنحل بالكهرباء الذي تمتصه مادة الفصل. بالإضافة إلى ذلك ، يفترض مخطط خليتين جلفانيتين وجود ما هو اسم هذه الخلية الجلفانية؟ يفترض المخطط الذي يربط المعدنين معًا وجود تفاعل الأكسدة والاختزال.

أبسط خلية كلفانية

إنه يعني وجود صفيحتين أو قضبان مصنوعة من معادن مختلفة ، مغمورة في محلول إلكتروليت قوي. أثناء تشغيل هذه الخلية الجلفانية ، تتم عملية الأكسدة عند القطب الموجب ، المرتبطة بإطلاق الإلكترونات.

عند الكاثود - الاختزال ، مصحوبًا بقبول الجسيمات السلبية. هناك انتقال للإلكترونات على طول الدائرة الخارجية إلى العامل المؤكسد من عامل الاختزال.

مثال على خلية كلفانية

من أجل تكوين دوائر إلكترونية للخلايا الجلفانية ، من الضروري معرفة قيمة جهدها الكهربائي القياسي. دعونا نحلل نوعًا مختلفًا من خلية جلفانية من النحاس والزنك تعمل على أساس الطاقة المنبعثة أثناء تفاعل كبريتات النحاس مع الزنك.

تسمى هذه الخلية الجلفانية ، التي سيتم عرض مخططها أدناه ، بخلية جاكوبي دانيال. وهي تشمل ما هو مغمور في محلول من كبريتات النحاس (قطب كهربائي من النحاس) ، بالإضافة إلى أنها تتكون من صفيحة زنك في محلول من كبريتاتها (قطب الزنك). تتلامس المحاليل مع بعضها البعض ، ولكن من أجل منع الاختلاط ، يتم استخدام قسم مصنوع من مادة مسامية في العنصر.

مبدأ التشغيل

كيف تعمل خلية كلفانية ، دائرة منها Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu؟ أثناء تشغيله ، عندما تكون الدائرة الكهربائية مغلقة ، تحدث عملية أكسدة الزنك المعدني.

على سطح ملامسته لمحلول ملحي ، لوحظ تحول الذرات إلى كاتيونات Zn2 +. تترافق هذه العملية مع إطلاق إلكترونات "حرة" تتحرك على طول الدائرة الخارجية.

يمكن تمثيل التفاعل الذي يحدث على قطب الزنك على النحو التالي:

يتم إجراء اختزال الكاتيونات المعدنية على قطب نحاسي. تتحد الجسيمات السلبية التي تأتي إلى هنا من القطب الكهربائي للزنك مع كاتيونات النحاس ، وترسبها على شكل معدن. هذه العملية كالتالي:

إذا أضفت التفاعلين اللذين تمت مناقشتهما أعلاه ، فستحصل على معادلة موجزة تصف عملية خلية جلفانية من الزنك والنحاس.

يعمل قطب الزنك كقطب موجب ، ويعمل النحاس ككاثود. تفترض الخلايا والبطاريات الجلفانية الحديثة استخدام محلول إلكتروليت واحد ، مما يوسع نطاق تطبيقها ، ويجعل تشغيلها أكثر راحة وملاءمة.

أنواع مختلفة من الخلايا الجلفانية

الأكثر شيوعًا هي عناصر الزنك والكربون. يستخدمون جامع تيار كربون سلبي ملامسًا للأنود ، وهو أكسيد المنغنيز (4). المنحل بالكهرباء هو كلوريد الأمونيوم ، والذي يستخدم في شكل معجون.

لا ينتشر ، لذلك تسمى الخلية الجلفانية نفسها جافة. وتتمثل ميزته في القدرة على "الاسترداد" أثناء العمل ، مما له تأثير إيجابي على مدة الفترة التشغيلية. هذه الخلايا الجلفانية لها تكلفة منخفضة ، لكنها منخفضة الطاقة. عندما تنخفض درجة الحرارة ، فإنها تقلل من كفاءتها ، وعندما ترتفع درجة الحرارة ، يجف الإلكتروليت تدريجياً.

تتطلب الخلايا القلوية استخدام محلول قلوي ، لذلك لديها عدد قليل من مجالات التطبيق.

في خلايا الليثيوم ، يعمل المعدن النشط كأنود ، والذي له تأثير إيجابي على عمر الخدمة. الليثيوم سالب ، لذلك ، مع أبعاد صغيرة ، فإن هذه الخلايا لها أقصى جهد مقدر. من بين عيوب هذه الأنظمة ارتفاع الأسعار. فتح مصادر طاقة الليثيوم متفجر.

خاتمة

يعتمد مبدأ تشغيل أي خلية كلفانية على عمليات الأكسدة والاختزال التي تحدث عند الكاثود والأنود. اعتمادًا على المعدن المستخدم ، محلول الإلكتروليت المختار ، يتغير عمر خدمة الخلية ، بالإضافة إلى قيمة الجهد الاسمي. حاليًا ، هناك حاجة إلى خلايا جلفانية الليثيوم والكادميوم ، والتي تتمتع بعمر خدمة طويل بما فيه الكفاية.

في الظروف الحديثة ، فإن أكثر مصادر التيار الكيميائي شيوعًا هي الخلايا الجلفانية. على الرغم من عيوبها الفردية ، إلا أنها تستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات ، والعمل المستمر جار لتحسينها. مبدأ تشغيل الخلية الجلفانية بسيط للغاية. يتم غمر صفائح النحاس والزنك في محلول مائي من حمض الكبريتيك ، والذي يلعب بعد ذلك دور القطب الموجب والسالب.

مبدأ عمل الخلية الجلفانية

عندما يتم توصيل القطبين بموصل ، تظهر دائرة كهربائية بسيطة. سيحدث تدفق التيار داخل الخلية من شحنة سالبة إلى شحنة موجبة ، أي من صفيحة زنك إلى صفيحة نحاسية. سيتم تنفيذ حركة الجسيمات المشحونة على طول الدائرة الخارجية في الاتجاه المعاكس.

عند التعرض للتيار الكهربائي ، ستحدث حركة بقايا حامض الكبريتيك وأيونات الهيدروجين في اتجاهات مختلفة. في هذه الحالة ، ينقل الهيدروجين الشحنة إلى الصفيحة النحاسية ، والباقي من الحمض إلى صفيحة الزنك. وبالتالي ، سيتم الحفاظ على الجهد في المحطات. في الوقت نفسه ، تستقر فقاعات الهيدروجين على الصفيحة النحاسية ، مما يضعف التأثير الكلي للعنصر ويخلق ضغطًا إضافيًا. يُعرف هذا الجهد بالقوة الدافعة الكهربائية للاستقطاب. لتجنب هذه الظاهرة ، يتم إدخال مادة في التركيبة يمكنها امتصاص ذرات الهيدروجين وتؤدي وظيفة إزالة الاستقطاب.

الخلايا الجلفانية: مزايا وعيوب

تستخدم مجموعة متنوعة من المواد لتصنيع الخلايا الكهروكيميائية الحديثة. الأكثر شيوعًا هي المواد التي تعتمد على عناصر الزنك والكربون المستخدمة لأطراف الأصابع.

تعتبر جودتها الإيجابية الرئيسية هي تكلفتها المنخفضة نسبيًا. ومع ذلك ، فإن هذه العناصر ذات طاقة منخفضة وعمر افتراضي قصير. الخيار الأفضل هو استخدام الخلايا القلوية. هنا ، المنحل بالكهرباء ليس فحمًا ، ولكنه محلول قلوي. عند التفريغ ، لا يحدث أي تطور للغاز ، مما يضمن إحكامًا تامًا. تتمتع الخلايا القلوية بعمر افتراضي أطول.

المبدأ العام لتشغيل الخلية الجلفانية هو نفسه تمامًا لجميع أنواعها. على سبيل المثال ، تشبه الخلايا القائمة على أكسيد الزئبق من الناحية الهيكلية الخلايا القلوية. تتميز بمقاومة متزايدة لدرجة الحرارة العالية ، قوة ميكانيكية عالية وقيمة جهد ثابتة. العيب هو سمية الزئبق التي تتطلب معالجة دقيقة للعناصر المستهلكة.