الخلايا الكهروكيميائية: المكونات ، طريقة عملها ، الأنواع ، مثال - كيمياء - 2026

و الخلايا الكهروكيميائية هي الأجهزة التي التفاعلات الكيميائية تمر حيث يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية أو العكس بالعكس. تشكل هذه الخلايا قلب الكيمياء الكهربائية ، والروح هي التبادل المحتمل للإلكترونات الذي يمكن أن يحدث ، بشكل تلقائي أو بدونه ، بين نوعين كيميائيين.

يتأكسد أحد النوعين ، ويفقد الإلكترونات ، بينما يتقلص الآخر ، ويكتسب الإلكترونات المنقولة. بشكل عام ، الأنواع التي يتم اختزالها هي كاتيون معدني في المحلول ، والذي من خلال اكتساب الإلكترونات ينتهي به الأمر إلى الترسيب كهربائيًا على قطب كهربائي مصنوع من نفس المعدن. من ناحية أخرى ، فإن الأنواع التي تتأكسد هي معدن يتحول إلى كاتيونات معدنية.

رسم تخطيطي لخلية كهروكيميائية من دانيال. المصدر: Rehua

على سبيل المثال ، الصورة أعلاه تمثل خلية دانيال: أبسط الخلايا الكهروكيميائية. يتأكسد قطب الزنك المعدني ، ويطلق Zn ²⁺ كاتيونات في الوسط المائي. يحدث هذا في حاوية ZnSO ₄ على اليسار.

على اليمين ، يتم تقليل المحلول المحتوي على CuSO ₄ ، وتحويل الكاتيونات Cu ²⁺ إلى نحاس معدني يتم ترسيبه على القطب النحاسي. أثناء تطور هذا التفاعل ، تنتقل الإلكترونات عبر دائرة خارجية لتفعيل آلياتها ؛ وبالتالي ، توفير الطاقة الكهربائية لتشغيل الفريق.

مكونات الخلايا الكهروكيميائية

أقطاب كهربائية

يتم توليد أو استهلاك التيارات الكهربائية في الخلايا الكهروكيميائية. لضمان التدفق الكافي للإلكترونات يجب أن تكون هناك مواد جيدة التوصيل للكهرباء. هذا هو المكان الذي تأتي فيه الأقطاب الكهربائية والدائرة الخارجية ، مزودة بأسلاك نحاسية أو فضية أو ذهبية.

الأقطاب الكهربائية هي المواد التي توفر السطح حيث ستحدث التفاعلات في الخلايا الكهروكيميائية. هناك نوعان حسب التفاعل الذي يحدث فيها:

-أنود ، قطب كهربائي حيث تحدث الأكسدة

- القطب ، القطب حيث يحدث التخفيض

يمكن صنع الأقطاب الكهربائية من مادة متفاعلة ، كما في حالة خلية دانيال (الزنك والنحاس) ؛ أو من مادة خاملة ، كما يحدث عندما تكون مصنوعة من البلاتين أو الجرافيت.

يجب أن تصل الإلكترونات الصادرة عن القطب الموجب إلى الكاثود ؛ ولكن ليس من خلال حل ، ولكن من خلال كابل معدني يربط كلا القطبين بدائرة خارجية.

انحلال المنحل بالكهرباء

يلعب المحلول الذي يحيط بالأقطاب الكهربائية أيضًا دورًا مهمًا ، حيث يتم إثرائه بالإلكتروليتات القوية ؛ مثل: KCl ، KNO ₃ ، NaCl ، إلخ. تفضل هذه الأيونات ، إلى حد ما ، هجرة الإلكترونات من القطب الموجب نحو القطب السالب ، وكذلك نقلها من خلال محيط الأقطاب الكهربائية للتفاعل مع الأنواع المراد تقليلها.

فمياه البحر ، على سبيل المثال ، توصل الكهرباء بشكل أفضل بكثير من الماء المقطر ، بتركيز أقل من الأيونات. هذا هو السبب في أن الخلايا الكهروكيميائية لها انحلال قوي بالكهرباء بين مكوناتها.

جسر ملحي

تبدأ أيونات المحلول في إحاطة الأقطاب الكهربائية مما يتسبب في استقطاب الشحنات. يبدأ المحلول حول الكاثود في أن يصبح سالبًا ، حيث يتم تقليل الكاتيونات ؛ في حالة خلية دانيال ، فإن الكاتيونات Cu ²⁺ عند ترسيبها كنحاس معدني على الكاثود. وهكذا ، يبدأ عجز الشحنات الموجبة.

هذا هو المكان الذي يتدخل فيه جسر الملح لموازنة الشحنات ومنع استقطاب الأقطاب الكهربائية. باتجاه جانب أو جزء من الكاثود ، ستهاجر كاتيونات جسر الملح ، إما K ⁺ أو Zn ²⁺ ، لتحل محل Cu ²⁺ المستهلك. وفي الوقت نفسه ، سوف تهاجر NO ₃ ^- الأنيونات من جسر الملح نحو حجرة الأنود ، لتحييد التركيز المتزايد من Zn ²⁺ كاتيونات.

يتكون جسر الملح من محلول مشبع من الأملاح ، وتغطي نهاياته مادة هلامية قابلة للاختراق للأيونات ، لكنها غير منفذة للماء.

أنواع الخلايا الكهروكيميائية وطريقة عملها

تعتمد كيفية عمل الخلية الكهروكيميائية على نوعها. هناك نوعان أساسيان: كلفاني (أو فلطائي) وكهربائي.

كلف

خلية دانيال هي مثال على خلية كهروكيميائية جلفانية. في نفوسهم تحدث ردود الفعل بشكل تلقائي وتكون إمكانات البطارية إيجابية ؛ كلما زادت الإمكانات ، زادت الكهرباء التي ستوفرها الخلية.

الخلايا أو البطاريات هي خلايا جلفانية على وجه التحديد: يتم تحويل الإمكانات الكيميائية بين القطبين إلى طاقة كهربائية عندما تتدخل دائرة خارجية تربطهما. وهكذا ، تهاجر الإلكترونات من القطب الموجب ، وتشعل المعدات التي تتصل بها البطارية ، وتُعاد مباشرة إلى الكاثود.

كهربائيا

الخلايا الإلكتروليتية هي تلك التي لا تحدث تفاعلاتها تلقائيًا ، إلا إذا تم تزويدها بالطاقة الكهربائية من مصدر خارجي. هنا تحدث الظاهرة المعاكسة: تسمح الكهرباء بتطور تفاعلات كيميائية غير عفوية.

يعد التحليل الكهربائي أحد أشهر التفاعلات وأكثرها قيمة التي تحدث داخل هذا النوع من الخلايا.

البطاريات القابلة لإعادة الشحن هي أمثلة على الخلايا الكهربية وفي نفس الوقت الخلايا الجلفانية: يتم إعادة شحنها لعكس تفاعلاتها الكيميائية وإعادة تهيئة الظروف الأولية لإعادة الاستخدام.

أمثلة

خلية دانيال

تتوافق المعادلة الكيميائية التالية مع التفاعل في خلية دانيال حيث يشارك الزنك والنحاس:

Zn (s) + Cu ²⁺ (aq) → Zn ²⁺ (aq) + Cu (s)

لكن الكاتيونات Cu ²⁺ و Zn ²⁺ ليست وحدها بل مصحوبة بالأنيونات SO ₄ ^2-. يمكن تمثيل هذه الخلية على النحو التالي:

الزنك - ZnSO ₄ - - CuSO ₄ - النحاس

يمكن بناء خلية دانيال في أي مختبر ، حيث تكون متكررة جدًا كممارسة في إدخال الكيمياء الكهربائية. عندما يتم ترسيب Cu ²⁺ على هيئة Cu ، فإن اللون الأزرق لمحلول CuSO ₄ سوف يتلاشى تدريجياً.

خلية هيدروجين البلاتين

تخيل خلية تستهلك غاز الهيدروجين وتنتج الفضة المعدنية وتزود الكهرباء في نفس الوقت. هذه هي خلية البلاتين والهيدروجين ، ويكون تفاعلها العام كما يلي:

2AgCl (s) + H ₂ (g) → 2Ag (s) + 2H ⁺ + 2Cl ^-

هنا في حجرة الأنود لدينا قطب بلاتيني خامل ، مغمور في الماء وضخه في الهيدروجين الغازي. يتأكسد H ₂ إلى H ⁺ ويتخلى عن إلكتروناته إلى رواسب AgCl اللبنية في حجرة الكاثود بقطب كهربائي فضي معدني. على هذه الفضة ، سيتم تقليل AgCl وستزداد كتلة القطب.

يمكن تمثيل هذه الخلية على النحو التالي:

Pt، H ₂ - H ⁺ - - Cl ^- ، AgCl - Ag

خلية هبوط

وأخيرًا ، من بين الخلايا الإلكتروليتية لدينا خلايا كلوريد الصوديوم المنصهر ، والمعروفة باسم خلية داونز. هنا ، تُستخدم الكهرباء لتحريك حجم من كلوريد الصوديوم المنصهر عبر الأقطاب الكهربائية ، مما يتسبب في التفاعلات التالية:

2Na ⁺ (l) + 2e ^- → 2Na (s) (كاثود)

2Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2e ^- (الأنود)

2NaCl (l) → 2Na (s) + Cl ₂ (g) (تفاعل عالمي)

وبالتالي ، بفضل الكهرباء وكلوريد الصوديوم ، يمكن تحضير الصوديوم المعدني وغاز الكلور.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
2. ويكيبيديا. (2020). الخلية الكهروكيميائية. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (29 يناير 2020). الخلايا الكهروكيميائية. تم الاسترجاع من: thinkco.com
4. R. السفينة. (سادس). الخلايا الكهروكيميائية. تم الاسترجاع من: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. كيميكول. (2017). تعريف الخلية الكهروكيميائية. تم الاسترجاع من: chemicool.com
6. باتريشيا يانكوفسكي. (2020). ما هي الخلية الكهروكيميائية؟ - الهيكل والاستخدامات. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com
7. كيمياء (3 مارس 2011). الخلايا الكهروكيميائية. الكيمياء والعلوم. تم الاسترجاع من: laquimicaylaciencia.blogspot.com