الخلايا الفولتية / الجلفانية

التفاعلات الكيميائية العفوية

تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال العفوية بكثرة في الطبيعة. يعد التفاعل الكيميائي الذي يحدث في بطارية AA يمكن التخلص منها تعمل على تشغيل أجهزة التحكم عن بُعد أحد الأمثلة على تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي. مثال آخر هو غمر الأسلاك النحاسية الملفوفة في محلول مائي من نترات الفضة. يُظهر التفاعل تغيرًا تدريجيًا في اللون ومثيرًا للإعجاب بصريًا من عديم اللون إلى اللون الأزرق الساطع وتشكيل ترسب رمادي على السلك النحاسي. في هذه التجربة ، يخضع النحاس للأكسدة لتكوين أيونات نحاسية ، مما يجعل المحلول أزرقًا ، في حين يتم تقليل أيونات الفضة لتشكيل ترسبات فضية على السلك.

يمكن تلخيص رد الفعل على النحو التالي:

هنا ، يوجد انتقال مباشر وتلقائي للإلكترونات من الأسلاك النحاسية إلى أيونات الفضة المائية.

الخلايا الكهروكيميائية والخلايا الجلفانية

افترض أن الجهاز يحتوي على جميع المواد المتفاعلة ومنتجات نظام الأكسدة والاختزال ولكنه يمنع الاتصال الجسدي بين المواد المتفاعلة. لذلك ، يتم منع النقل المباشر للإلكترونات ؛ بدلاً من ذلك ، يحدث بشكل غير مباشر من خلال دائرة خارجية تتصل بالمتفاعلات المنفصلة. يشار إلى الأجهزة من هذا النوع عمومًا باسم الخلايا الكهروكيميائية .

الخلية الكهروكيميائية هي أداة يتم فيها توليد تيار كهربائي عن طريق تفاعل الأكسدة والاختزال دون اتصال مباشر بين الذرات المتفاعلة. تُعرف الخلايا الكهروكيميائية التي ينشأ فيها تيار نتيجة تفاعل أكسدة اختزال تلقائي بالخلايا الجلفانية أو الفولتية (تحمل اسم لويجي جالفاني وأليساندرو فولتا).

مكونات الخلية الجلفانية

يوضح الشكل 1. خلية كلفانية تعتمد على التفاعل التلقائي بين النحاس والفضة (I). تتكون الخلية الجلفانية النموذجية من خليتين ، تحتوي كل منهما على زوج مترافق من الأكسدة والاختزال ، أو زوجان ، من مادة تفاعل واحدة. تحتوي نصف الخلية الموجودة على اليسار على زوجي Cu (0) / Cu (II) في شكل رقائق نحاسية صلبة ومحلول مائي من نترات النحاس. تحتوي نصف الخلية اليمنى على الزوجين Ag (I) / Ag (0) كرقائق فضية صلبة ومحلول مائي من نترات الفضة. يتم توصيل دائرة خارجية بكل نصف خلية عند الرقاقة الصلبة الخاصة بها ، مما يعني أن كل من Cu و Ag احباط وظيفة قطب كهربائي . يحدث التفاعل عند السطح البيني بين كل خليط من خليط تفاعل نصف خلية والإلكترود الخاص به. القطب الموجب هو القطب الذي تحدث فيه الأكسدة ويحمل شحنة سالبة ، بينما القطب السالب هو القطب الذي يحدث فيه الاختزال ، ويحمل شحنة موجبة.

ترتبط نصف الخلايا بجسر ملح ، وهو أنبوب مقلوب على شكل حرف U يحتوي على هلام أو معجون من إلكتروليت خامل مثل كلوريد البوتاسيوم أو نترات الأمونيوم. يساعد جسر الملح على إبقاء مخاليط التفاعل منفصلة مع ضمان توازن شحن التفاعل. ينتج التفاعل التلقائي في هذه الخلية الكاتيونات Cu ²⁺ في نصف خلية الأنود ويستهلك أيونات Ag ⁺ في نصف خلية الكاثود ، مما يؤدي إلى تدفق تعويضي من الخامل أيونات من جسر الملح الذي يحافظ على توازن الشحن. يوفر جسر الملح تدفقًا للأيونات الخاملة ، مما يضمن استمرار التفاعل عن طريق تحييد تراكم الأيونات الموجبة والسالبة في الأنود والكاثود. ومن ثم ، تتم موازنة التركيزات المتزايدة لـ Cu ²⁺ في نصف خلية الأنود بتدفق NO ^{3 & # 8722؛} من جسر الملح ، بينما تدفق Na ⁺ في نصف خلية الكاثود يعوض عن تناقص تركيز Ag ⁺ .

الشكل 1 : خلية كلفانية تعتمد على التفاعل التلقائي بين أيونات النحاس والفضة (I).

تمثيل خلية كلفانية باستخدام مخططات الخلية أو تدوينات الخلية

يتم تمثيل الخلية الجلفانية بشكل رمزي باستخدام مخططات الخلية أو تدوينات الخلية.

& # 8226 ؛ & # 160 ؛ في مخططات الخلية ، يتم تمثيل جميع الواجهات بين مراحل المكون بخطوط متوازية عمودية.
& # 8226 ؛ & # 160 ؛ & # 160 ؛ في حالة وجود مكونين أو أكثر في نفس المرحلة ، يتم فصلهما في التمثيل باستخدام الفواصل.
& # 8226 ؛ & # 160 ؛ & # 160 ؛ يتم تمثيل الأنود على يسار التخطيطي والكاثود إلى اليمين.
& # 8226 ؛ & # 160 ؛ & # 160 ؛ يشير الخط الرأسي المزدوج إلى جسر ملح أو قسم مسامي بين نصفي رد الفعل.
& # 8226 ؛ ”

على سبيل المثال ، تتكون الخلية الجلفانية أعلاه من أنود نحاسي صلب مغمور في نترات نحاس مائي (II) متصل عبر جسر ملح بمحلول نترات الفضة المائي (I) مغمور فيه كاثود فضي صلب. يؤدي تحويل هذه العبارة إلى رمزية باتباع الإرشادات المذكورة أعلاه إلى تخطيط الخلية:

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e,17.2 Galvanic Cells.