الخلية الفولتية

2011 التفاعلات الكيميائية

گريستا وست

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الكيمياء

الخلية الفولتية عبارة عن مضخة ترغم الإلكترونات على التحرك من مكان إلى آخر. تتألف الخلية البسيطة من وعائين يحتويان على محاليل كيميائية يربط بينهما أنبوب على شكل حرف (U). أحد الوعاءين مخصص لتفاعل الاختزال، والثاني لتفاعل الأكسدة. ويجب أن تنتقل الإلكترونات بين الوعاءين عبر الأنبوب الذي يصل بينهما، ويُملأ الأنبوب بمحلول أيونات لنقل الإلكترونات.

يحتوي كل وعاء على قضيب معدني يُسمى الإلكترود (القطب)، والفلزات موصلات جيدة للكهرباء لأنها تحوي في داخلها إلكترونات حرة الحركة. وتعمل الإلكترودات (الأقطاب) كمخزن للإلكترونات، حيث تكون مهيأة لتوصيل التيار عند اللزوم متى تم ربط الإلكترودات مع بعضها بسلك ناقل.

يُسمى الإلكترود الذي يجري فيه تفاعل الاختزال «الكاثود »، ويحمل عادة إشارة سالب “-” لأن تيار الإلكترونات يسري بعيداً عنه. أما الإلكترود المخصص لتفاعل الأكسدة فيُسمى «الأنود» ويحمل إشارة موجب “+” لأن التيار يسري نحوه.

تُغمر الإلكترودات في سائل يحتوي على المتفاعلات لبدء تفاعل الأكسدة والاختزال، ويحدث نصفا التفاعل بصورة مستمرة إلى أن ينفد أحد

المتفاعلات. يكسب المتفاعل الإلكترونات في عملية تفاعل الاختزال من الأنود (القطب الموجب) كي يتحول إلى ناتج. ثم ينضم الناتج إلى الأنود، حيث يشكّل تدريجياً طبقة رقيقة. يقوم الأنود بهذه الطريقة بتزويد المتفاعلات بالإلكترونات بشكل مستمر، ويحدث عكس ذلك في الكاثود (القطب السالب)، حيث يتأكسد المتفاعل ويتخلّص من إلكتروناته، فيجمع الكاثود هذه الإلكترونات.

تسري الإلكترونات عبر السلك بين القطبين، وبما أن الإلكترونات لها شحنة سالبة،

فإنها تسري بعيداً عن الكاثود السالب وتتجه نحو الأنود الموجب. يحتوي التيار الكهربائي على طاقة يمكن نقلها عبر الأسلاك لتوفير الطاقة الكهربائية اللازمة لتشغيل الآلات.

يمكن أن تستخدم الخلايا الفولتية أنواعاً عديدة من المواد الكيميائية المختلفة في

تفاعلات الأكسدة والاختزال، لكنها غالباً تحتوي على الفـلزات، ويحتاج أحد التفاعلات إلى الزنك وثاني أكسيد المنغنيز، حيث يتأكسد الزنك النقي فيتحول إلى هيدروكسيد الزنك ويحرر الإلكترونات. كما يُختزل ثاني أكسيد المنغنيز إلى ثالث أكسيد المنغنيز ويكسب الإلكترونات.