ثانوي · الصف 3

البطاريات

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

4-2 البطاريات

Batteries

الفكرة الرئيسية

البطاريات خلايا جلفانية تستعمل التفاعلات التلقائية لإنتاج الطاقة لأغراض متعددة.

الربط مع الحياة

تأمل قليلاً عند كتابة قائمة بالأشياء التي تستعمل فيها البطاريات؛ فقد تضم قائمتك المصباح الكهربائي والسيارات والهواتف والمذياع والحاسبات والساعات والألعاب وغيرها. فهل جميع البطاريات في هذه الأجهزة متشابهة؟

الأهداف

تصف تركيب البطارية الجافة التقليدية المصنوعة من الكربون والخارصين ومكوناتها وآلية عملها.
تميز بين البطاريات الأولية والثانوية، وتعطي مثالين على كل نوع.
تفسر تركيب خلية الوقود الهيدروجين-الأكسجين وعملها.
تصف عملية تآكل الحديد وطرائق حمايته من التآكل.

مراجعة المفردات

التفاعل العكسي: التفاعل الذي يمكن أن يحدث في الاتجاهين الطردي والعكسي.

المفردات الجديدة

البطارية.
الخلية الجافة.
البطارية الأولية.
البطارية الثانوية.
خلية الوقود.
التآكل.
الجلفنة.

الخلايا الجافة

Dry Cells

تزود بعض تفاعلات الخلايا التلقائية التي درستها البطاريات بالطاقة التي نستعملها يوميًا. والبطارية عبارة عن خلية جلفانية أو أكثر في عبوة واحدة تنتج التيار الكهربائي. ولقد كانت البطارية الجافة المكونة من الخارصين والكربون، كما في الشكل 4-8، هي الأكثر استعمالًا منذ اكتشاف البطارية عام 1860 حتى الآن.

خلية الخارصين والكربون الجافة

الخلية الجافة هي خلية جلفانية؛ حيث يكون المحلول الموصل للتيار عجينة رطبة تتكون من خليط من كلوريد الخارصين وأكسيد المنجنيز IV وكلوريد الأمونيوم وكمية قليلة من الماء داخل حافظة من الخارصين. وحافظة الخارصين هي الأنود في الخلية؛ حيث يحدث تأكسد الخارصين بحسب المعادلة الآتية:

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻

ويعمل عمود الكربون أو الجرافيت في مركز الخلية الجافة عمل الكاثود، ولكن تفاعل الاختزال لنصف الخلية يحدث داخل العجينة. ويسمى عمود الكربون في هذا النوع من الخلايا الجافة الكاثود غير الفعال؛ لأنه يتكون من مادة لا تسهم في تفاعل الأكسدة والاختزال، إلا أن القطب غير الفعال له غرض مهم في توصيل الإلكترونات. ويتم تفاعل الاختزال لنصف الخلية على النحو الآتي:

2NH4⁺(aq) + 2MnO2(s) + 2e⁻ → Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(l)

الشكل 4-8

تتكون ما يطلق عليه الخلية الجافة من عجينة رطبة يحدث فيها نصف تفاعل الاختزال، وتعمل حافظة الخارصين في خلية الخارصين والكربون عمل الأنود.

#

يوجد في خلية الخارصين والكربون الجافة فواصل رقيقة مصنوعة من مادة مسامية تحتوي على عجينة رطبة تفصلها عن أنود الخارصين. وتعمل هذه الفواصل عمل القنطرة الملحية للسماح بتحرك الأيونات، ومن ثم فإنها تشبه إلى حد كبير نموذج الخلية الجلفانية الذي درسته في القسم 4-1. وتنتج خلية الخارصين والكربون الجافة 1.5V حتى يبدأ إنتاج الأمونيا بوصفه ناتج تفاعل الاختزال عن حلولها المائي في صورة غاز. وعندما ينخفض الجهد إلى مستوى يجعل البطارية غير نافعة.

البطاريات القلوية

لقد حلت الخلية القلوية الجافة الأكثر كفاءة محل خلية الخارصين والكربون الجافة في الكثير من التطبيقات كما في الشكل 4-9. ويوجد الخارصين في الخلية القلوية على هيئة مسحوق، مما يوفر مساحة سطح أكبر للتفاعل، ويخلط مع هيدروكسيد البوتاسيوم على شكل عجينة، وهي قاعدة قوية، وتوضع العجينة في علبة من الفولاذ. ويقوم خليط من ثاني أكسيد المنجنيز وهيدروكسيد البوتاسيوم مقام الكاثود. ويمكن تمثيل تفاعل الأنود لنصف الخلية على النحو الآتي:

Zn(s) + 2OH⁻(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e⁻

أما تفاعل الكاثود لنصف الخلية فهو:

MnO2(s) + 2H2O(l) + 2e⁻ → Mn(OH)2(s) + 2OH⁻(aq)

ولا تحتاج البطاريات القلوية إلى عمود الكربون بوصفه كاثودًا؛ لذا يمكن تصنيعها بأحجام صغيرة، ولها استعمالات متعددة في الأجهزة الصغيرة.

بطاريات الفضة

بطاريات الفضة الموضحة في الشكل 4-9 أصغر حجمًا، وتستعمل في تزويد الأجهزة بالطاقة، ومنها سماعات الأذن والساعات وآلات التصوير. وتستعمل بطاريات الفضة تفاعل أنود نصف خلية البطاريات القلوية. أما تفاعل الكاثود لنصف الخلية فهو على النحو الآتي:

Ag2O(s) + H2O(l) + 2e⁻ → 2Ag(s) + 2OH⁻(aq)

الشكل 4-9

البطاريات القلوية أكثر كفاءة من خلية الخارصين والكربون الجافة، وأكثر نفعًا عند الحاجة إلى بطاريات صغيرة الحجم. أما بطاريات الفضة فهي أصغر حجمًا من القلوية، وتناسب الأجهزة الصغيرة الحجم مثل الساعات.

ماذا قرأت؟

حدد أنصاف التفاعلات المشتركة التي تحدث في كل من البطاريات القلوية، وبطاريات الفضة.

#

البطاريات الأولية والثانوية

تقسم البطاريات إلى نوعين اعتمادًا على عملياتها الكيميائية. وتصنف خلايا الخارصين والكربون، والقلوية، والفضة على أنها بطاريات أولية. والبطاريات الأولية هي التي تنتج طاقة كهربائية من تفاعل الأكسدة والاختزال الذي لا يحدث بشكل عكسي بسهولة، وتصبح البطارية غير صالحة للاستعمال بعد انتهاء التفاعل. ويسمى النوع الآخر البطاريات الثانوية، وهي تعتمد على تفاعل الأكسدة والاختزال العكسي، لذا فإنه يمكن شحنها.

فبطارية السيارة والحاسوب المحمول مثالان على هذا النوع من البطاريات التي تسمى في بعض الأحيان بطاريات التخزين. وعادة ما تكون بطاريات التخزين التي تستعمل في آلات الحلاقة وآلات التصوير الرقمية بطاريات نيكل-كادميوم قابلة للشحن، وتسمى في بعض الأحيان بطاريات NiCad، كما في الشكل 4-10. وللحصول على الكفاءة القصوى للبطارية يصنع كل من الأنود والكاثود من أشرطة دقيقة طويلة من مواد مفصولة بطبقة يمكن للأيونات أن تمر من خلالها. وتلف الأشرطة في لفائف ضيقة وتعبأ داخل علبة فولاذية.

ويتمثل تفاعل الأنود الذي يحدث عند استعمال البطارية لتوليد تيار كهربائي في أكسدة الكادميوم في وسط قاعدي:

Cd(s) + 2OH⁻(aq) → Cd(OH)2(s) + 2e⁻

أما تفاعل الكاثود فهو اختزال النيكل من حالة تأكسد +3 إلى +2 إلى:

NiO(OH)(s) + H2O(l) + e⁻ → Ni(OH)2(s) + OH⁻(aq)

وتحدث هذه التفاعلات بشكل عكسي عند شحن البطارية.

الشكل 4-10

تزود الأدوات والهواتف اللاسلكية عادة بالطاقة بواسطة بطاريات يمكن إعادة شحنها، ويتم إعادة شحن بطارية NiCad عند توصيلها بمصدر كهربائي يزودها بالطاقة لتدفع تفاعل الشحن غير التلقائي للحدوث.

بطاريات تخزين المركم الرصاصي الحمضية

Lead-Acid Storage Battery

هذا النوع من البطاريات شائع الاستخدام في السيارات. وتتكون معظم بطاريات السيارات من 6 خلايا تولد كل منها 2V ليصبح ناتجها الكلي 12V. ويتكون الأنود في كل خلية من شبكتين مساميتين أو أكثر من الرصاص. أما الكاثود فيتكون من شبكة واحدة من الرصاص المملوءة بأكسيد الرصاص IV. ويجب أن يسمى هذا النوع من البطاريات بطارية رصاص-أكسيد الرصاص IV، إلا أن بطاريات الرصاص الحمضية هو الاسم الأكثر شيوعًا لها؛ لأن المحلول الموصل في البطارية هو محلول حمض الكبريتيك، وهي بطارية غير جافة.

وتمثل المعادلات الآتية تفاعل الأكسدة لنصف الخلية عند الأنود؛ حيث يتأكسد الرصاص من حالة تأكسد 0.0 إلى +2 في PbSO4:

Pb(s) + SO4²⁻(aq) → PbSO4(s) + 2e⁻

ويختزل الرصاص من حالة تأكسد +4 إلى +2 عند الكاثود، ويمثل تفاعل الاختزال لنصف الخلية عند الكاثود كما يلي:

PbO2(s) + 4H⁺(aq) + SO4²⁻(aq) + 2e⁻ → PbSO4(s) + 2H2O(l)

لذا فإن التفاعل الكلي هو:

Pb(s) + PbO2(s) + 4H⁺(aq) + 2SO4²⁻(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O(l)

وبالنظر إلى تفاعلات نصفي الخلية يمكنك ملاحظة أن كبريتات الرصاص II PbSO4 ...

#

هي ناتج الأكسدة والاختزال. وكذلك فإن كلا من PbO2 و Pb و PbSO4 مادة صلبة، لذا تبقى في مكان تكونها نفسه. ولذلك تكون المواد المتفاعلة في الأماكن المطلوبة سواء أكانت البطارية في حالة استعمال أو شحن.

يعمل حمض الكبريتيك عمل محلول موصل بالبطارية، إلا أنه يستهلك في أثناء توليد البطارية للتيار الكهربائي، كما توضح معادلة الخلية الكلية ذلك. ماذا يحدث عند إعادة شحن البطارية؟ يصبح التفاعل في هذه الحالة عكسيًا؛ لينتج الرصاص وأكسيد الرصاص IV وحمض الكبريتيك، والموضح بالجزء في المعادلة:

4H⁺(aq) + 2SO4²⁻(aq)

من المعادلة الكلية للبطارية.

وتعد بطاريات تخزين المراكم الرصاصية في الشكل 4-11 اختيارًا جيدًا للسيارات؛ لأنها تزود المحرك بطاقة ابتدائية عالية جدًا في البداية، ولها زمن حفظ طويل قبل البيع، ويعتمد عليها عند انخفاض درجات الحرارة.

الشكل 4-11

تستهلك بطاريات المركم الرصاصي المستعملة في السيارات عند تشغيل السيارة، وتشحن عندما يعمل المحرك.

المفردات: أصل الكلمة

السعة Capacity: من أصل لاتيني وتعني القدرة على الاستيعاب أو الاحتواء.

ماذا قرأت؟

حدد المواد التي تتأكسد والمواد التي تختزل عند شحن بطارية المركم الرصاصي.

بطاريات الليثيوم

Lithium Batteries

على الرغم من أن بطاريات المركم الرصاصي موثوق بها ومناسبة للكثير من التطبيقات، فما زال المهندسون يطورون بطاريات بكتلة أقل وقدرة أكبر لتزويد الأجهزة بالطاقة؛ بدءًا من ساعة اليد إلى السيارات الكهربائية. وفي التطبيقات التي تكون فيها البطارية هي المكون الأهم ويجب تزويدها بكميات كبيرة من القدرة - كما في عملية تشغيل السيارات الكهربائية - تكون بطاريات المركم الرصاصي ثقيلة جدًا، لذا لا تكون عملية.

ولقد كان الحل في تطوير بطارية ذات وزن خفيف، تخزن كميات كبيرة من الطاقة بالنسبة لحجمها. لذا ركز المهندسون انتباههم على عنصر الليثيوم لسببين، هما: أن الليثيوم أخف فلز معروف، وأن له أقل جهد اختزال قياسي بالنسبة إلى العناصر الفلزية الأخرى -3.04V كما في الجدول 4-1. لذا تولد البطارية التي تؤكسد الليثيوم على الأنود 2.3V تقريبًا أكثر من البطاريات المشابهة، وتؤدي إلى تأكسد الخارصين.

#

قارن بين نصف تفاعل التأكسد للخارصين والليثيوم وجهود اختزالها القياسية:

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
E°Zn²⁺|Zn = -0.762 V

Li(s) → Li⁺(aq) + e⁻
E°Li⁺|Li = -3.04 V

E°Zn²⁺|Zn - E°Li⁺|Li = +2.28 V

يمكن لبطاريات الليثيوم أن تكون أولية أو ثانوية اعتمادًا على أي تفاعلات اختزال تم دمجها مع تأكسد الليثيوم. تستخدم بعض بطاريات الليثيوم مثلًا تفاعل الكاثود نفسه الذي تستعمله الخلايا الجافة الخارصين والكربون، وهو اختزال أكسيد المنجنيز IV MnO2 إلى أكسيد المنجنيز III Mn2O3، وتنتج هذه البطاريات تيارًا ذا جهد يساوي 3V مقارنة بـ 1.5V لخلايا الخارصين والكربون. وتستمر بطاريات الليثيوم فترة أطول من أنواع البطاريات الأخرى. ونتيجة لذلك تستعمل عادة في الساعات والحواسيب وآلات التصوير للحفاظ على الزمن والتاريخ والذاكرة والاستعدادات الشخصية حتى عند إطفاء الجهاز. والشكل 4-12 يوضح التطبيقات الحالية والمطورة لبطاريات الليثيوم.

الشكل 4-12

الصفات التي تجعل بطاريات الليثيوم الاختيار الأمثل للعديد من الاستعمالات هي خفة الوزن وطول العمر والجهد العالي.

ماذا قرأت؟

اذكر ثلاث مزايا لبطاريات الليثيوم.

خلايا الوقود

Fuel Cells

ينفجر الهيدروجين بقوة كبيرة عند احتراقه في الهواء، وينتج عنه ضوء وحرارة.

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + energy

فهل يمكن أن يحدث هذا التفاعل تحت ظروف مضبوطة داخل الخلية؟

الربط مع الفيزياء

خلية الوقود خلية جلفانية؛ حيث ينتج تأكسد الوقود طاقة كهربائية. وتختلف خلايا الوقود عن البطاريات الأخرى؛ لأنها تزود بالوقود باستمرار من مصدر خارجي. ويعتقد الكثيرون أن خلايا الوقود اختراع حديث، إلا أن الخلايا الأولى عرضت عام 1839م عن طريق عالم الكيمياء الكهربائية البريطاني وليام جروف William Grove والذي سمى خلية بطارية الغاز. وقد بدأ بعض العلماء عملًا جادًا في خمسينيات القرن الماضي لتطوير خلايا وقود عملية ذات كفاءة لبرامج الفضاء.

وإذا كان على رواد الفضاء الطيران في سفن فضائية فإنهم يحتاجون إلى الماء للمحافظة على حياتهم في السفينة، ومصدر كهربائي موثوق به لتزويد أنظمة السفينة المختلفة ...

وقائع الكيمياء في الحياة: خلايا الوقود

التقليل من التلوث: تعد السيارات من أكبر مصادر تلوث الهواء في المدن. وقد أدى تزويد حافلات - تحت التجربة في بعض المدن الأوروبية - بخلايا وقود الهيدروجين إلى إحداث فرق في كمية التلوث. كما تخلو عوادم هذه الحافلات من ثاني أكسيد الكربون أو أي من أكاسيد النيتروجين أو الكبريت. والماء النقي هو الناتج الوحيد.

#

بالكهرباء. والحاجتان السابقتان كلتاهما ساعدتنا على تطوير خلايا وقود الهيدروجين التي تضبط عملية تأكسد الهيدروجين وتزود السفينة بالماء والكهرباء؛ إذ لا يصاحب ذلك إنتاج مواد جانبية ينبغي التخلص منها أو تخزينها على السفينة خلال الرحلة.

كيف تعمل خلية الوقود؟

لخلية الوقود - كما في الخلايا الجلفانية الأخرى - أنود وكاثود، وتتطلب محلولًا موصلًا، حتى تستطيع الأيونات الانتقال بين الأقطاب. والمحلول الموصل الشائع في خلية الوقود محلول قلوي من هيدروكسيد البوتاسيوم. وكل قطب عبارة عن وعاء أجوف، جدرانه من كربون مسامي تسمح بالاتصال بين الحجرة الداخلية والمحلول الموصل المحيط بها. ويكتب نصف تفاعل الأكسدة للخلية على الأنود على النحو الآتي:

2H2(g) + 4OH⁻(aq) → 4H2O(l) + 4e⁻

يستعمل التفاعل أيونات الهيدروكسيد المتوافرة في المحلول الموصل القلوي، ويطلق الإلكترونات على الأنود. فتتدفق الإلكترونات الناتجة عن أكسدة الهيدروجين خلال الدائرة الخارجية نحو الكاثود؛ حيث يحدث نصف تفاعل الاختزال على النحو الآتي:

O2(g) + 2H2O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)

تختزل إلكترونات الأكسجين عند وجود الماء لإنتاج 4 أيونات هيدروكسيد تعمل على تعويض أيونات الهيدروكسيد المستخدمة عند الأنود. وعند جمع معادلتي نصفي التفاعل تكون المعادلة الكلية هي نفس معادلة احتراق الهيدروجين في الأكسجين:

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)

ولما كانت الخلية تزود بالوقود من مصدر خارجي فإن خلية الوقود لا تنفد مثل سائر البطاريات؛ حيث تستمر في إنتاج الكهرباء ما دام الوقود متوافرًا.

وتستخدم بعض الخلايا وقودًا غير الهيدروجين؛ فمثلًا يستبدل الهيدروجين بالميثان في بعض الخلايا إلا أنه قد يؤدي إلى إنتاج ثاني أكسيد الكربون كغاز الدفيئة. وتستعمل خلايا الوقود، كما في الشكل 4-13، صفيحة بلاستيكية تسمى غشاء تبادل البروتون proton-exchange membrane (PEM)، مما يستبعد الحاجة إلى محلول موصل سائل.

ماذا قرأت؟

قارن خلايا الوقود بغيرها من الخلايا الجلفانية.

الشكل 4-13

a. يكون الهيدروجين هو الوقود. ويتم فصل نصفي التفاعل بواسطة غشاء لتبادل البروتونات؛ حيث تتدفق الإلكترونات المفقودة من عملية الأكسدة في الدائرة الخارجية للوصول إلى موقع الاختزال، وخلال انتقالها تقوم بعمل مفيد كتشغيل محرك إلكتروني. أما الناتج الجانبي لتفاعل الأكسدة والاختزال فهو الماء.
b. يمكن لخلايا الحزمة من نوع PEM إنتاج طاقة كافية لتشغيل سيارة كهربائية.

مهنة في الكيمياء: اختصاصي الطاقة البديلة

إذا كنت ترغب في اختراع أشياء جديدة وجعلها تعمل فقد تكون مهتمًا بالمساعدة على تطوير مصادر طاقة لهذا العالم يعتمد عليها بصورة متزايدة. وتتضمن هذه التقنيات الطاقة الشمسية، والرياح، والطاقة الجوفية، وطاقة التيارات المائية، واستعمال تدرج درجات الحرارة في تجمعات الماء، وغيرها.

#

التآكل

Corrosion

من المعروف أن تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية تحدث في الخلايا الجلفانية، كما تحدث في الطبيعة أيضًا بشكل تلقائي، ومن ذلك تآكل الحديد، المعروف بالصدأ. التآكل هو خسارة الفلز الناتج عن تفاعل أكسدة واختزال بين الفلز والمواد التي في البيئة. وعلى الرغم من الاعتقاد أن الصدأ ناتج عن تفاعل الحديد مع الأكسجين إلا أنه تفاعل أكثر تعقيدًا. ولما كان الصدأ يحدث عند توافر كل من الماء والأكسجين، لذا فإن قطعة الحديد التي تركت معرضة للهواء والرطوبة تكون أكثر عرضة للصدأ، كما في الشكل 4-14؛ حيث يصدأ الجزء المتصل بالتربة الرطبة أولًا. ويبدأ الصدأ عند وجود شق أو كسر في سطح الحديد. ويصبح هذا الجزء أنود الخلية؛ حيث تبدأ ذرات الحديد في فقدان الإلكترونات، كما في الشكل 4-15.

Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻

وتصبح أيونات الحديد II جزءًا من المحلول المائي، في حين تتحرك الإلكترونات خلال القطعة الحديدية إلى منطقة الكاثود، فتصبح القطعة الحديدية هي الدائرة الخارجية والأنود في آن واحد. ويقع الكاثود عادة على حافة قطرة الماء؛ حيث يتم الاتصال بين الماء والهواء وقطعة الحديد. وهناك تختزل الإلكترونات الأكسجين من الهواء، كما في المعادلة الآتية:

O2(g) + 4H⁺(aq) + 4e⁻ → 2H2O(l)

ويتم تزويد أيونات H⁺ على الأرجح من تكون حمض الكربونيك الناتج عن ذوبان CO2 من الهواء في الماء. ثم تتأكسد أيونات ...

الشكل 4-14

يتأكسد الحديد ببطء عند تركه مكشوفًا ومعرضًا للهواء والرطوبة مكونًا الصدأ Fe2O3.

مختبر تحليل البيانات

تفسير الرسوم البيانية

كيف يمكنك الحصول على التيار الكهربائي من الميكروبات؟ درس العلماء استعمال الميكروبات كخلايا وقود حيوية؛ حيث تحول هذه الخلايا الطاقة الأيضية الميكروبية بصورة مباشرة إلى طاقة كهربائية. ويسهل إلكترون وسيط انتقال الإلكترونات إلى القطب. والإلكترون الوسيط عبارة عن مركب يدخل ضمن سلسلة انتقال الإلكترون للخلايا ويسرق الإلكترونات المنتجة.

البيانات والملاحظات

يوضح الرسم البياني التيار الناتج عن خلية وقود حيوية باستعمال الإلكترون وسيط، الخط الأزرق، ومن دون استعماله، الخط الأخضر.

التفكير الناقد

  • استنتج الزمن التقريبي لإدخال الإلكترون الوسيط.
  • حدد هل أحدث إدخال الإلكترون الوسيط اختلافًا في إنتاج التيار؟ فسر إجابتك.
  • حلل ما أعلى شدة تيار تم الحصول عليها من الخلية؟

#

الحديد Fe²⁺ في المحلول إلى أيونات Fe³⁺ عن طريق التفاعل مع الأكسجين الذائب في الماء. وتتحد أيونات Fe³⁺ بالأكسجين لتكوين صدأ غير ذائب من Fe2O3:

4Fe²⁺(aq) + 2O2(g) + 2H2O(l) + 4e⁻ → 2Fe2O3(s) + 4H⁺(aq)

وعند جمع المعادلات الثلاث تنتج المعادلة الكلية لتفاعل الخلية لتآكل الحديد:

4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s)

والصدأ عملية بطيئة؛ لأن قطرات الماء تحتوي على كمية قليلة من الأيونات، لذا فهي محاليل موصلة غير جيدة. أما إذا كان الماء يحتوي على كمية كبيرة من الأيونات - كما في ماء البحر أو المناطق التي ترش فيها الطرق بالملح شتاءً - فإن التآكل يحدث أسرع؛ لأن الماء يصبح محلولًا موصلًا جيدًا.

منع التآكل

لما كان تآكل السيارات والجسور والسفن وهياكل المباني الفولاذية والعديد من الأشياء الفلزية يكلف أكثر من 100 بليون دولار من الخسائر سنويًا في الولايات المتحدة، لذا تم ابتكار طرائق عديدة لتقليل هذا التآكل. ومن هذه الطرائق عمل غطاء من الطلاء لعزل الماء والهواء. ونظرًا لأن الطلاء يتلف مع الزمن، كالجسر الذي في الشكل 4-16 مثلًا، فإنه يجب إعادة طلائه مرات عديدة.

الشكل 4-15

يحدث التآكل عندما يكون كل من الماء والهواء والحديد خلية جلفانية. سم المادتين اللتين تأكسدتا عند الأنود.

الشكل 4-16

لما كان التآكل يسبب الكثير من الضرر، فإنه من الأهمية بمكان إيجاد طرائق لمنع الصدأ، والطلاء أو أي غطاء حماية آخر هو أحد طرائق حماية هياكل المباني الفولاذية من التآكل.

#

تجربة

ملاحظة التآكل

أي الفلزات ستتآكل؟

خطوات العمل

  • اقرأ تعليمات السلامة في المختبر.
  • استعمل ورق الصنفرة لتلميع سطوح أربعة مسامير حديدية، وغلف مسمارين بشريط مغنيسيوم، وغلف مسمارين آخرين بقطع من النحاس. وتأكد من إحكام لف المسامير حتى لا تتحرك.
  • ضع المسامير في كؤوس منفصلة، وأضف ماء مقطرًا إلى أحد المسامير الملفوفة بالمغنيسيوم وأحد المسامير الملفوفة بالنحاس، وأضف كمية ماء كافية حتى تغمر المسامير، ثم أضف ماء مالحًا إلى الكأسين الآخرين، وسجل ملاحظاتك عن المسامير في كل كأس.
  • اترك الكؤوس في أكثر الأماكن دفئًا خلال الليل، وافحص المسامير والمحاليل في اليوم التالي، وسجل ملاحظاتك.

التحليل

  • صف الاختلاف بين المسامير الملفوفة بالنحاس في الماء المقطر والماء المالح بعد تركها خلال الليل.
  • صف الاختلاف بين المسامير الملفوفة بالمغنيسيوم في الماء المقطر والماء المالح بعد تركها خلال الليل.
  • فسر الاختلاف بين المسامير الملفوفة بالنحاس والمسامير الملفوفة بالمغنيسيوم.

لما كانت هياكل السفن تتصل بصورة دائمة بالماء المالح، لذا فإن منع التآكل شيء ضروري. وعلى الرغم من إمكانية طلاء الهيكل إلا أن هناك طريقة أخرى تستعمل في تقليل التآكل؛ حيث توصل كتل من الفلز مثل المغنيسيوم أو الألومنيوم أو التيتانيوم بالهيكل الفولاذي، فتتأكسد هذه الكتل أسهل من الحديد، وتصبح الأنود في خلية التآكل، في حين يبقى حديد الهيكل دون تآكل أو أكسدة.

وتستعمل التقنية نفسها في حماية أنابيب الحديد المدفونة في الأرض؛ حيث يلف المغنيسيوم بواسطة أسلاك بالأنابيب، فيتآكل المغنيسيوم بدلًا من الأنابيب، كما في الشكل 4-17.

الشكل 4-17

يستعمل المغنيسيوم أو أي فلز نشط آخر لمنع التآكل؛ إذ يتأكسد المغنيسيوم الملفوف حول أنابيب الحديد المدفونة في الأرض أولًا، مما يساعد على منع تآكل الأنابيب.

الأكسدة:
Mg(s) → Mg²⁺(aq) + 2e⁻

الاختزال:
O2(g) + 4H⁺(aq) + 4e⁻ → 2H2O(l)

#

الشكل 4-18

تساعد الجلفنة على منع التآكل بطريقتين.

جسم مغطى بطبقة خارصين سليمة: تعزل طبقة الخارصين الحديد عن الماء والهواء، عن طريق تكوين حاجز من أكسيد الخارصين ضد الماء والأكسجين.

جسم مغطى بطبقة خارصين مشققة: إذا تشققت طبقة الخارصين يصبح الخارصين هو الأنود المضحي؛ حيث يتأكسد غطاء الخارصين بدلًا من الحديد.

والطريقة الأخرى لمنع التآكل هي الجلفنة؛ إذ يتم بها تغليف الحديد بفلز أكثر مقاومة للتأكسد. وكمثال على ذلك يتم تغليف الحديد بطبقة من الخارصين؛ إما عن طريق غمس القطعة الحديدية بمصهور الخارصين، وإما بطلاء الجسم بالخارصين كهربائيًا. وعلى الرغم من أن الخارصين يتأكسد أسهل من الحديد إلا أنه أحد العناصر التي تحمي نفسها، وتتضمن الألومنيوم والكروم. فعند تعرضها للهواء يتأكسد سطحها مكونًا طبقة رقيقة من أكسيد الفلز تحمي الفلز من التأكسد مرة أخرى.

وتحمي الجلفنة الحديد بطريقتين ما دامت طبقة الخارصين سليمة؛ إذ لا تمكن الماء والهواء من الوصول إلى سطح الحديد. ولكن عند تشقق طبقة الخارصين فإنه يقوم بحماية الحديد من التآكل السريع بأن يصبح الخارصين أنود الخلية الجلفانية المتكونة ملامسة الهواء والماء للحديد والخارصين في الوقت نفسه. ويوضح الشكل 4-18 كيف تعمل طريقتا الحماية من التآكل.

التقويم 4-2

الخلاصة

تستخدم البطاريات الأولية مرة واحدة فقط، ولكن يمكن شحن البطاريات الثانوية.
تزود البطارية عند شحنها بطاقة كهربائية تعكس اتجاه تفاعل البطارية التلقائي.
خلايا الوقود بطاريات تكون فيها المادة المتأكسدة وقودًا من مصدر خارجي.
طرائق الحماية من التآكل هي: الطلاء، أو التغليف بفلز آخر، أو استعمال أنود مضح.

أسئلة التقويم

  • الفكرة الرئيسية: حدد ما الذي يتأكسد؟ وما الذي يختزل في بطارية الخلية الجافة الخارصين والكربون؟ وما الخواص التي تجعل الخلية الجافة القلوية أكثر تطورًا من أنواع البطاريات الجافة الأقدم؟
  • فسر ماذا يحدث عند إعادة شحن البطارية؟
  • صف أنصاف التفاعل التي تحدث في خلية وقود الهيدروجين، واكتب معادلة التفاعل الكلية.
  • صف عمل أنود عندما يستخدم قطبًا مضحيًا، وفيم يتشابه عمله مع الجلفنة؟
  • فسر لماذا يعد الليثيوم اختيارًا جيدًا ليكون أنودًا للبطارية؟
  • احسب باستعمال بيانات الجدول 4-1 جهد خلية وقود الهيدروجين-الأكسجين الموضحة في صفحة 138.
  • صمم تجربة استخدم معرفتك بالأحماض في ابتكار طريقة لتحديد ما إذا كان المركم الرصاصي مشحونًا بصورة كاملة أم أن شحنه بدأ ينفد.

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.

إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم

طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.

خبير مناهج سعودية

اختر نمط التعلم

تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.