الخلية الجافة: الهيكل والوظيفة - كيمياء - 2025

A الخلية الجافة هي البطارية التي تتكون من عجينة وليس حلا المتوسطة كهربائيا. ومع ذلك ، فإن هذه العجينة تحتوي على مستوى معين من الرطوبة ، ولهذا فهي ليست جافة تمامًا.

كمية الماء القليلة كافية لتحرك الأيونات ، وبالتالي تدفق الإلكترونات داخل الخلية.

المصدر: إميليان روبرت فيكول عبر فليكر.

ميزتها الهائلة على البطاريات الرطبة الأولى هي أنها عجينة إلكتروليتية ، لا يمكن سكب محتواها ؛ كان هذا هو الحال مع البطاريات الرطبة ، والتي كانت أكثر خطورة وحساسية من البطاريات الجافة. نظرًا لاستحالة الانسكاب ، يتم استخدام الخلية الجافة في العديد من الأجهزة المحمولة والمتنقلة.

يوجد في الصورة العلوية بطارية جافة من الزنك والكربون. بتعبير أدق ، إنها نسخة حديثة من مجموعة Georges Leclanché. من بين كل شيء ، هو الأكثر شيوعًا وربما الأبسط.

تمثل هذه الأجهزة راحة حيوية نظرًا لوجود طاقة كيميائية في الجيب يمكن تحويلها إلى كهرباء ؛ وبهذه الطريقة لا تعتمد على منافذ الطاقة أو الطاقة التي توفرها محطات الطاقة الكبيرة وشبكتها الواسعة من الأبراج والكابلات.

هيكل الخلية الجافة

ما هو هيكل الخلية الجافة؟ في الصورة ، يمكنك رؤية غلافها ، وهو ليس أكثر من فيلم بوليمر ، والصلب ، والمحطتين اللتين تبرز فيهما غسالات عازلة من الأمام.

ومع ذلك ، هذا هو مظهره الخارجي فقط ؛ يوجد بداخله أهم أجزائه ، مما يضمن حسن سيره.

سيكون لكل خلية جافة خصائصها الخاصة ، ولكن سيتم النظر فقط في خلية الكربون الزنك ، والتي يمكن تحديد هيكل عام لجميع البطاريات الأخرى.

تُفهم البطارية على أنها اتحاد بين بطاريتين أو أكثر ، والأخيرة عبارة عن خلايا فولتية ، كما سيتم شرحه في قسم مستقبلي.

أقطاب كهربائية

المصدر: ويكيبيديا

تُظهر الصورة العلوية الهيكل الداخلي لبطارية الزنك والكربون. بغض النظر عن ماهية الخلية الفولتية ، يجب أن يكون هناك دائمًا (عادةً) قطبان: أحدهما يتم إطلاق الإلكترونات منه والآخر يستقبلها.

الأقطاب الكهربائية عبارة عن مواد موصلة للكهرباء ، ولكي يكون هناك تيار ، يجب أن يكون لكل منهما كهرسلبية مختلفة.

على سبيل المثال ، الزنك ، وهو قصدير أبيض يحيط بالبطارية ، هو المكان الذي تغادر فيه الإلكترونات للدائرة الكهربائية (الجهاز) حيث يتم توصيلها.

من ناحية أخرى ، في الوسط كله يوجد قطب الكربون الجرافيتي ؛ مغمورة أيضًا في عجينة مكونة من NH ₄ Cl و ZnCl ₂ و MnO ₂.

هذا القطب هو الذي يستقبل الإلكترونات ، ولاحظ أنه يحمل الرمز "+" ، مما يعني أنه الطرف الموجب للبطارية.

محطات

كما هو موضح فوق قضيب الجرافيت في الصورة ، يوجد الطرف الكهربائي الموجب ؛ وأسفل ، يمكن للزنك الداخلي الذي تتدفق منه الإلكترونات ، الطرف السالب.

هذا هو سبب وضع علامة "+" أو "-" على البطاريات للإشارة إلى الطريقة الصحيحة لتوصيلها بالجهاز وبالتالي السماح بتشغيلها.

الرمل والشمع

على الرغم من عدم توضيح ذلك ، تتم حماية العجينة برمل مبلل وختم شمعي يمنعه من الانسكاب أو ملامسته للفولاذ تحت تأثير ميكانيكي طفيف أو اهتزاز.

تسيير

كيف تعمل الخلية الجافة؟ بادئ ذي بدء ، إنها خلية فولطية ، أي أنها تولد الكهرباء من التفاعلات الكيميائية. لذلك ، تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال داخل الخلايا ، حيث تكتسب الأنواع الإلكترونات أو تفقدها.

تعمل الأقطاب الكهربائية كسطح يسهل ويسمح بتطوير هذه التفاعلات. اعتمادًا على شحناتها ، يمكن أن تحدث أكسدة أو تقليل الأنواع.

لفهم هذا بشكل أفضل ، سيتم شرح الجوانب الكيميائية لبطارية الزنك والكربون فقط.

أكسدة الزنك الكهربائي

بمجرد تشغيل الجهاز الإلكتروني ، ستطلق البطارية الإلكترونات عن طريق أكسدة القطب الكهربائي للزنك. يمكن تمثيل ذلك بالمعادلة الكيميائية التالية:

Zn => Zn ²⁺ + 2e ^-

إذا كان هناك الكثير من Zn ²⁺ حول المعدن ، فسيحدث انحياز موجب للشحنة ، لذلك لن يكون هناك المزيد من الأكسدة. لذلك ، يجب أن ينتشر Zn ^{2+ من} خلال العجينة باتجاه الكاثود ، حيث ستعود الإلكترونات مرة أخرى.

بمجرد أن تنشط الإلكترونات الأداة ، فإنها تعود إلى القطب الآخر: الجرافيت ، لتجد بعض الأنواع الكيميائية "تنتظر" ذلك.

تقليل كلوريد الأمونيوم

كما ذكرنا سابقًا ، يوجد NH ₄ Cl و MnO ₂ في المعكرونة ، وهي مواد تجعل الرقم الهيدروجيني حمضيًا. بمجرد دخول الإلكترونات ، تحدث التفاعلات التالية:

2NH ₄ ⁺ + 2e ^- => 2NH ₃ + H ₂

المنتجان ، الأمونيا والهيدروجين الجزيئي ، NH ₃ و H ₂ ، عبارة عن غازات ، وبالتالي يمكن أن "تضخم" البطارية إذا لم تخضع لتحولات أخرى ؛ مثل ما يلي:

Zn ²⁺ + 4NH ₃ => ²⁺

H ₂ + 2MnO ₂ => 2MnO (أوه)

لاحظ أنه تم تقليل الأمونيا (الإلكترونات المكتسبة) لتصبح NH ₃. تم بعد ذلك تحييد هذه الغازات بواسطة المكونات الأخرى للعجين.

يسهل المركب ²⁺ انتشار أيونات Zn ²⁺ نحو الكاثود وبالتالي يمنع الخلية من "المماطلة".

تعمل الدائرة الخارجية للجهاز كجسر للإلكترونات ؛ وإلا فلن يكون هناك اتصال مباشر بين علبة الزنك وقطب الجرافيت. في صورة الهيكل ، تمثل هذه الدائرة الكبل الأسود.

تحميل

تأتي الخلايا الجافة في العديد من المتغيرات والأحجام وجهد العمل. بعضها غير قابل لإعادة الشحن (الخلايا الفولتية الأولية) ، والبعض الآخر (الخلايا الفولتية الثانوية).

بطارية الزنك والكربون لها جهد تشغيل يبلغ 1.5 فولت. تتغير أشكالها بناءً على أقطابها الكهربائية وتكوين إلكتروليتاتها.

ستأتي نقطة يتفاعل فيها كل الإلكتروليت ، وبغض النظر عن مقدار أكسدة الزنك ، فلن تكون هناك أنواع تستقبل الإلكترونات وتعزز إطلاقها.

علاوة على ذلك ، قد يكون الأمر كذلك حيث لم تعد الغازات المتكونة معادلة وتظل تمارس الضغط داخل الخلايا.

يجب إعادة تدوير بطاريات الزنك والكربون والبطاريات الأخرى غير القابلة لإعادة الشحن ؛ لأن مكوناته ، خاصة إذا كان من النيكل والكادميوم ، ضارة بالبيئة من خلال تلويث التربة والمياه.

المراجع

1. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (طبعة رابعة). ماك جراو هيل.
2. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء. (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
3. بطارية "الخلايا الجافة". تم الاسترجاع من: makahiki.kcc.hawaii.edu
4. هوفمان س. (10 ديسمبر 2014). ما هي بطارية الخلية الجافة؟ تم الاسترجاع من: upsbatterycenter.com
5. الأعشاب ، جيفري. (24 أبريل 2017). كيف تعمل بطاريات الخلايا الجافة؟ علم. تم الاسترجاع من: sciencing.com
6. وودفورد ، كريس. (2016) البطاريات. تم الاسترجاع من: explainthatstuff.com.