تعريف الخلايا الجلفانية والعمليات التي تتم داخلها

كما عودناكم في موقع الهندسة بتقديم كل ماهو جديد في الكيمياء نقدم لكم اليوم مقال في الكيمياء الفيزيائية وتطبيقاتها حيث لها تطبيقات عديدة لعل من أهمها الخلايا الجلفانية، فى هذا المقال سوف نتعرف على هذه الخلايا ومما تتكون وكيف تتم العمليات بها ثم نذكر أهمية واستخدامات تلك الخلايا

ما هى الخلايا الجلفانية ؟

الخلايا الجلفانية هى أحد الخلايا الكهرو كيميائية المستخدمة كتطبيق على فى الكيمياء الفيزيائية، وهى جهاز يحول الطاقة الكيميائية المتواجدة على شكل مواد إلى كهرباء عن طريق تفاعل أكسدة واختزال وهى أحد الطرق التى تستهلك فيها الإلكتروليتات وينتج التيار الكهربى.

مكونات الخلايا الكهربة 

تتكون الخلية الجلفانية البسيطة من نصفين كل نصف يحتوى على قطب معدنى مغمور فى محلول لأحد أملاحه ويربط بين النصفين قنطرة ملحية تحمل محلول ملحى مركز وتعمل على موازنة الأيونات داخل نصفى الخلية وتتم إغلاق الدائرة الكهربة من الخارج بأسلاك التوصل وتكون متصلة بالجهاز الذى يتم استخدام الكهرباء به.

ما هى العمليات التى تتم داخل الخلية الجلفانية؟ 

تحدث عمليتى الأكسدة والإختزال داخل نصفى الخلية حيث تكون عملية الأكسدة فى النصف السالب من الخلية الذى يطلق عليه المصعد أو (الأنود)، وفيه تتحرر الإلكترونات من المعدن وتتراكم على القطب ولذلك يأخد الإشارة السالبة ثم تنتقل من القطب السالب إلى القطب الموجب مرورا بالدائرة الكهربة الخارجية، وفى هذا الشق من الخلية يتم إستهلاك القطب المعدنى حيث تتأين ذراته وتنتشر فى المحلول.

أما عملية الإختزال فتتم فى الشق الموجب من الخلية حيث يكون هناك فقر فى الإلكترونات فتنتقل من الجزأ السالب الأنود إلى الجزأ الموجب الذى يطلق عليه المهبط أو ( الكاثود) وفى هذا الشق تكتسب أيونات المعدن المتواجدة فى المحلول الإلكترونات ويحدث لها ترسيب على جدار القطب المعدنى.

ويمكن وصف تفاعلات الأكسدة والإختزال التى تحدث كالتالى

جهد الأكسدة : M → Mⁿ⁺ + ne^–

جهد الإختزال : Mⁿ⁺ + ne^– → M

حيث أن جهد الأكسدة هو الجهد الحاصل عند الأنود وجهد الإختزال هو الجهد الحاصل عند الكاثود.

ويتم تحديد الأقطاب التى يحدث عندها الأكسدة والإختزال عن طريق سلسلة الجهود القياسية للإلكترود (نصف الخلية).

• خلية دانيال 

خلية دانيال هى أحد أشهر الأمثلة البسيطة التى توضح تركيب وطريقة عمل الخلية الجلفانية، حيث يكون الأنود عبارة عن قطب من الزنك مغمور فى محلول ملحى يحتوى على أيونات الزنك ويشكل ذلك نصف الخلية، وفى نصف الخلية هذا يحدث أكسدة لقطب الزنك فيفقد زوج من الإلكترونات ويتأين المعدن فى المحلول.

أما نصف الخلية الأخر وهو الكاثود فيتكون من قطب من النحاس مغمور فى محلول ملحى يحتوى على أيونات النحاس، وفى هذا النصف يحدث إختزال لأيونات النحاس المتواجدة فى المحلول فيكتسب كل أيون زوج الإلكترونات الذى تحررت من الأنود فيترسب النحاس على جدار القطب المعدنى.

وتتم هذه العملية طبقاً للمعادلة الأتية :-

• رمز الخلية 

لتسهيل عملية التعبير عن الخلية الجلفانية يتم إعطاء رمز اصطلاحى لها وذلك بدلأ من كتابة المعادلات الطويلة لها أو رسمها ويكون ذلك الرمز كالتالى :-

حيث يمثل الجزأ الذى على اليسار نصف الخلية الذى يحدث عنده عملية الأكسدة (الأنود) ويمثل الجزأ الذى على اليمين النصف الذى يحدث عنده عملية الإختزال (الكاثود) ويفصل بين الجزأين خط مزدوج أفقى ليمثل القنطرة الملحية.

• جهد الخلية 

يتم التعبير عن جهد الخلية الجلفانية ( القوة الدافعة الكهرببة) باستخدام المعادلة الأتية :

جهد الخلية = جهد إختزال الكاثود + جهد أكسدة الأنود

أو بمعنى آخر

جهد الخلية = جهد إختزال الكاثود – جهد إختزال الأنود

ويتم معرفة جهود الأكسدة والإختزال تلك عن طريق توصيل الإلكترود مع قطب إلكترود قياسى ثم قياس القوة الدافعة الكهربية له.

أهمية الخلايا الجلفانية

للخلاية الجلفانية أهمية بالغة فى التطبيقات الكيميائية فنجد أنها تستخدم فى عملية الطلاء الكهربى للمعادن وكذلك تستخدم فى أنظمة معالجة المياه عن طريق التحكم فى حموضة الماء.

• البطاريات

لعل من أهم التطبيقات الهندسية على الخلايا الجلفانية هى البطاريات، فهذا الجهاز الصغير الذى يعتمد على تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة فيه إلى كهرباء هو من أوسع الأجهزة استخداماً، فمن البطاريات المستخدمة فى أجهزة تنظيم ضربات القلب مروراً ببطاريات السيارات إلى البطاريات الضخمة المستخدمة فى المجالات العسكرية والصناعية جميعها تعتمد فى فكرة عملها على الخلايا الجلفانية، وهذه البطاريات منها التى تحتوى على محاليل إلكتروليتية مثل بطاريات السيارات ومنها ما هو الجاف مثل بطاريات الهاتف المحمول، ومن هذه البطاريات القابل للشحن مرة أخرى ومنها ما هو مصمم للإستخدام مرة واحدة كل هذه الأنواع تعمل بفكرة تحويل المواد الكيميائية إلى كهرباء.

إلى هنا ينتهى مقالنا عن الخلايا الجلفانية ولكن لم تنتهى رحلتنا حول المعرفة تابعونا على الفيسبوك .