✓ درس 4.2 · كتاب الوزارة

الخلايا الجلفانية التجارية (الأولية والثانوية)

الصف الثالث الثانوي المدة 45 د محتوى كامل

Batteries — OCR + vault + SVG.

محاضرة فيديو شرائح متحركة + قراءة صوتية عربية

اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً

🏆 أتقنت الدرس 100%

✓ الشرح ✓ التمارين ✓ التجارب

Batteries — OCR + vault + SVG.

🔋 كيمياء · الباب ⁦

٤

⁩ · خلايا تجارية

الخلايا الجلفانية التجارية (الأولية والثانوية)

Dry · Lead-Acid · Li-ion · Fuel cell · Ni-Cd

📖 الدرس ⁦

٢

⁩

⏱ ~⁦

٤٥

⁩ د

🔬 7 رسمًا

🧪 battery vault

🎯

سوف تتعلم

✓يميز الخلايا الأولية عن الثانوية
✓يصف Lead-Acid وLi-ion وFuel cell
✓يفسر الشحن كعملية إلكتروليتية
✓يقارن E° واستخدامات كل نوع

📖

مقدمة الدرس

📖

وهي أنظمة تخزن الطاقة في صورة كيميائية والتي يمكن تحويلها عند اللزوم إلى طاقة كهربائية وذلك من خلال تفاعل أكسدة - اختزال تلقائي غير انعكاسي ويتوقف هذا النوع من الخلايا عن العمل عندما تستهلك مادة المصعد أو تنضب أيونات نصف خلية المهيط.

📖

والخلايا الأولية لا يسهل (عملياً أو اقتصادياً) بل ربما يصبح من المستحيل إعادة شحنها بفرض إعادة مكوناتها إلى الحالة الأصلية ويمعنى آخر فإنها خلايا غير انعكاسية - وبالطبع لكي يسهل استخدامها وخصوصاً في الأجهزة المتنقلة لابد أن تكون في صورة جافة وليست سائلة. لذلك عرفت باسم البطاريات الجافة Dry Batteries - والخلية في الصورة الجافة تحقق جهداً ثابتاً لمدة أطول أثناء تشغيلها بالإضافة إلى إمكانية تصنيعها في أحجام أصغر.

📖

وسوف نعرض فيما يلي نموذجين للخلايا الأولية :

⚗️

خلية الزئبق (أ) : Mercury cell

⚗️

وتصنع هذه الخلية في أسطوانى أو على هيئة قرص. وتتميز بصغر حجمها لذلك فهى شائعة الاستخدام في سماعات الأذن والساعات والآلات الخاصة بالتصوير. يتكون القطب السالب من الخارصين والقطب الموجب من أكسيد الزئبق. ويستخدم فيها هيدروكسيد البوتاسيوم كإلكتروليت والخلية مغلقة بإحكام

⚗️

والتفاعل الكلى الحادث في الخلية هو

⚗️

لية الزئبق

⚗️

ويجب التخلص من هذه البطارية بعد

⚗️

الاستخدام بطريقة آمنة حيث أنها تحتوى على الزئبق وهو مادة سامة.

🔬

Fuel cell

🔬

من المعروف أن الهيدروجين يحترق في الهواء بعنف وينتج عن عملية الاحتراق ضوء و حرارة

⁦

2 H_{2} + O_{2} ⟶ 2 H_{2} O_{2} + Energy

⁩

🔬

وقد تمكن العلماء من إجراء هذا التفاعل تحت ظروف يتم التحكم فيها داخل ما يعرف بخلية الوقود.

🔬

يجد هذا النوع من الخلايا اهتماماً بالغاً في مركبات الفضاء حيث إن الوقود الغازى من الهيدروجين والأكسجين المستخدم في إطلاق الصواريخ هو نفسه الوقود المستخدم في هذه الخلايا.

🔬

وتتركب خلية الوقود من قطبين، كل منهما على هيئة وعاء مجوف مبطن بطبقة من الكربون المسامى. تسمح بالاتصال بين الحجرة الداخلية والمحلول الإلكتروني الموجود بها وهو غالبا محلول هيدروكسيد البوتاسيوم المائى.

🔬

لية الوقود

🔬

# التفاعلات الحادثة في الخلية

📐

تفاعل الأكسدة

⁦

2 H_{2 (II)} + 4 OH^{-} (III) 4 H_{2} O + 4 e^{-} E^{\circ} = 0.83 V (oxidation)

⁩

🔥

تفاعل الاختزال

⁦

O_{2 (VI)} + 2 H_{2} O + 4 e^{-} (VI) 4 OH^{-} E^{\circ} = 0.4 V (reduction)

⁩

💡

والتفاعل الكلي الحادث هو

⁦

2 H_{2 (II)} + O_{2 (II)} (II) 2 H_{2} O E_{cell} = 1.23 V

⁩

💡

وخلية الوقود لا تستهلك كباقي الخلايا الجلفانية، لأنها تزود بالوقود من مصدر خارجي.

⁦

\boldsymbol{&#x27; in math mode at position 57: …ربية 1.23 V - E}⁩̲_{\mathrm{cell}…" style="color:#cc0000">\boldsymbol{وتعطى هذه الخلية قوة دافعة كهربية 1.23 V - E⁦\boldsymbol{_{\mathrm{cell}}}</span></span></bdo></span>⁩}⁩

💡

وتعمل خلية الوقود عند درجة حرارة عالية فيتبخر الماء الناتج عنها. ويمكن إعادة تكثيفه للاستفادة منه كميات للشرب لرواد الفضاء.

💡

ويُعكس البطاريات الأخرى فخلايا الوقود لا تختزن الطاقة لأن عملها يتطلب إمدادها المستمر بالوقود وإزالة مستمرة للنوائح.

🧬

الخلايا الثانوية - ٢ Secondary cells

🧬

وهي خلايا جلفانية تتميز بان تفاعلاتها الكيميائية تفاعلات انعكاسية، وتختزن الطاقة الكهربية على هيئة طاقة كيميائية والتي يمكن تحويلها مرة أخرى إلى طاقة كهربية عند اللزوم - ويمكن إعادة شحنها بإمرار تيار كهربي من مصدر خارجي بين قطبيها في اتجاه عكس عملية تفريغها وسوف نعرض فيما يلي نموذجين من الخلايا الثانوية:

🏭

أ - بطارية الرصاص الحامضية Lead - Acid battery

🏭

وفي البطارية يكون المصعد، الأنور، عبارة عن شبكة من الرصاص مملوءة برصاص أسفنجي (Pb) ويكون المهيط (الكاتود) عبارة عن شبكة من الرصاص مملوءة بعجينة من ثاني أكسيد

🏭

الرصاص (PbO₂) - وتفصل الألواح عن بعضها بصفتح عازلة وجميعها تغمر في محلول حمض الكبريتيك المخفف كإلكتروليت موصل. وجميعها موضوعة في وعاء مصنوع من المطاط الصلب أو البلاستيك (بولي ستيرين) والذي لا يتأثر بالأحماض، وتعمل البطارية كخلية جلفانية أثناء تشغيلها (تفريغها) واستهلاك طاقتها أما عند إعادة شحنها فتعتبر خلية إليكتروليتية.

🏭

تحدث التفاعلات التالية عند تشغيل البطارية

🏭

أ- تفاعل الأنود (المصعد):

⁦

Pb_{(s)} + SO_{4}^{2 -} (aq) ⟶ PbSO_{4 (s)} + 2 e^{-} E^{\circ} = 0.36 V

⁩

🏭

ب- تفاعل الكاثود (المهبط):

⁦

PbO_{2 (s)} + 4 H_{(aq)}^{-} + SO_{4}^{2 -} (aq) + 2 e^{-} ⟶ PbSO_{4 (s)} + 2 H_{2} O_{(l)} E^{\circ} = 1.69 V

⁩

🏭

وتعمل الخلية هنا كخلية جلفانية وعند التفريغ تكون معادلة التفاعل الكلي للبطارية:

⁦

Pb_{(s)} + PbO_{2 (s)} + 4 H_{(aq)}^{-} + 2 SO_{4}^{2 -} (aq) dicharge 2 PbSO_{4 (s)} + 2 H_{2} O_{(l)} E_{cell} = 2.05 V

⁩

🏭

تدريب: احسب القوة الدافعة الكهربية لهذه البطارية

🏭

ويتم التعرف على حالة البطارية بقياس كثافة محلول الحمض بواسطة الهيدروميتر (مقياس الكثافة للسوائل) وحينما تكون البطارية كاملة الشحن تكون كثافة الحمض فيها تساوي 1.28، 1.3g/cm³

🏭

وإذا قلت كثافة الحمض إلى أقل من 1.2g/cm³ فهذا يعني حاجة البطارية إلى إعادة الشحن وزيادة تركيز الحمض فيها.

⚡

(ب) تفاعل الشحن (Charging)

⚡

يؤدى طول مدة استعمال البطارية إلى تخفيف تركيز حمض الكبريتيك فيها نتيجة لزيادة كمية الماء الناتج من التفاعل كذلك تحول مواد الكاثود (PbO₂) والأنود (Pb) إلى كبريتات رصاص (II). مما يؤدى إلى نقص كمية التيار الكهربى الناتج منها - وهنا تحتاج البطارية إلى إعادة الشحن ويتم ذلك بتوصيل قطبى البطارية بمصدر للتيار الكهربى المستمر له جهد أكبر قليلا من الجهد الذى ينتج من البطارية مما يؤدى إلى حدوث تفاعل عكس التفاعل التلقائى الذى حدث أثناء تفريغ الشحنة ويؤدى هذا إلي تحول كبريتات الرصاص (II) إلي رصاص عند الأنود (الكاثود أثناء الشحن) و ثاني أكسيد الرصاص عند الكاثود (الأنود أثناء الشحن) كما يعيد تركيز الحمض إلي ما كان عليه.

⁦

2 PbS O_{4} (s) + 2 H_{2} O_{(l)} charge P b_{(s)} + Pb O_{2} (s) + 2 S O_{4}^{2} (aq) + 4 H^{+}_{(aq)}

⁩

⚡

وتعمل البطارية أثناء الشحن كخلية إلكتروليتية، حيث تم فيها إحداث تفاعل كيميائى غير تلقائى بواسطة مرور تيار كهربى - وهذا يعنى تخزين الطاقة الكهربية الواردة من المصدر الخارجى فى طاقة كيميائية - لذلك اعتبرت الخلايا الثانوية (المراكم) أنها بطاريات لتخزين الطاقة وفى السيارة يستخدم الدينامو وبصورة مستمرة فى إعادة شحن البطارية أولا بأول.

📊

U بطارية أيون الليثوم Lithium ion battery

📊

تعتبر بطارية أيون الليثوم الجافة من البطاريات القابلة لإعادة الشحن وتستخدم في أجهزة التليفون المحمول والكمبيوتر المحمول. وفى بعض السيارات الحديثة كبديل لبطارية المركز الرصاص لخفة وزنها وقدرتها على تخزين كميات كبيرة من الطاقة بالنسبة لحجمها. وقد استخدم الليثيوم فى تركيبها لسببين أساسيين، هما أنه أخف فلز معروف وجهد اختزاله القياسى هو الأصغر بالنسبة لباقى الفلزات الأخرى (- 3.04V) ويحتوى الغلاف المعدنى للبطارية على ثلاثة رقائق ملفوفة بشكل حلزونى وهي:

📊

1. الإلكترود الموجب (الكاثود) ويتكون من أكسيد الليثيوم كويلت (LiCoO₂).

📊

2. الإلكترود السالب (الأنود) ويتكون من جرافيت الليثيوم (LiC₆).

📊

3. العازل وهو مكون من شريحة رقيقة جدا من البلاستيك تعمل على عزل الإلكترود الموجب عن

📊

# التكاليف العامة

📊

السالب: بينما تسمح للأيونات بالتردد من خلاله.

📊

وتغمر الرقائق الثلاثة في إلكتروليت لا مائي من سداس فلوروفوسفيد الليثيوم (LiPF₆).

📊

(أيون ليثيوم)

📊

(أيون ليثيوم)

🎯

تحديث التفاعلات التالية عند تشغيل البطارية

🎯

تفاعل الأتود

🎯

تفاعل الكاثود

🎯

والتفاعل الكلي الحادث هو:

⁦

LiC_{6 (s)} + CoO_{2 (s)} Discharge charge C_{6 (s)} + LiCoO_{2 (s)}

⁩

🎯

وتعطى هذه الخلية قوة دافعة كهربية

⁦

E_{cell} = 3 V

⁩

💡

فكر وناقش

لماذا لا تُعاد شحن البطاريات الجافة؟ ولماذا يُستخدم الدينامو في السيارة؟

🎮

استكشف — خزنة البطاريات

🔋

الخلايا الأولية Primary cells

أنظمة تخزن الطاقة كيميائياً وتحولها لكهرباء عبر أكسدة-اختزال تلقائي غير انعكاسي. تتوقف عند استهلاك الأنود أو نضوب أيونات الكاثود. لا تُعاد شحنها عملياً — Dry Batteries — جهد ثابت أطول وحجم أصغر.

☿

خلية الزئبق Mercury cell

أسطوانة أو قرص · صغيرة — ساعات وسماعات. السالب: Zn · الموجب: HgO · إلكتروليت: KOH · مغلقة بإحكام.

⚠️ التخلص الآمن — زئبق سام.

🚀

Fuel cell — خلية الوقود

⁦

2 H_{2 (g)} + O_{2 (g)} ⟶ 2 H_{2} O + Energy

⁩

أكسدة
⁦

2 H_{2} + 4 OH^{-} \to 4 H_{2} O + 4 e^{-}

⁩
E° = 0.83 V

اختزال
⁦

O_{2} + 2 H_{2} O + 4 e^{-} \to 4 OH^{-}

⁩
E° = 0.40 V

⁦

1.23 V E_{cell} =

⁩

وقود H₂/O₂ مستمر — لا تخزن طاقة · مركبات فضاء · الماء الناتج قابل للشرب. عكس البطاريات: تحتاج إمداداً مستمراً بالوقود.

♻️

الخلايا الثانوية Secondary cells

ثانوية
تفاعلات انعكاسية
تخزين ↔ كهرباء
إعادة شحن

أولية
غير انعكاسية
استهلاك → توقف

🚗

بطارية الرصاص الحامضية Lead-Acid

−أنود: شبكة Pb + Pb إسفنجي

+كاثود: شبكة Pb + PbO₂

⚗️إلكتروليت: H₂SO₄ مخفف · 6 خلايا × 2 V = 12 V

⁦

Pb_{(s)} + SO_{4}^{2 -} \to PbSO_{4 (s)} + 2 e^{-} E ° = 0.36 V

⁩

⁦

PbO_{2 (s)} + 4 H^{+} + SO_{4}^{2 -} + 2 e^{-} \to PbSO_{4 (s)} + 2 H_{2} O E ° = 1.69 V

⁩

⚡

تفريغ البطارية (Discharge)

⁦

Pb + PbO_{2} + 4 H^{+} + 2 SO_{4}^{2 -} discharge 2 PbSO_{4} + 2 H_{2} O

⁩ ⁦

2.05 V E_{cell} =

⁩

الهيدروميتر: كثافة H₂SO₄ كاملة ≈ 1.28–1.30 g/cm³ · < 1.2 → تحتاج شحن

🔌

(ب) تفاعل الشحن Charging

تيار خارجي > جهد البطارية → عكس التفاعل التلقائي → PbSO₄ → Pb + PbO₂ + استعادة تركيز الحمض.

⁦

2 PbSO_{4} + 2 H_{2} O charge Pb + PbO_{2} + 2 SO_{4}^{2 -} + 4 H^{+}

⁩

أثناء الشحن = خلية إلكتروليتية · الدينامو يعيد الشحن في السيارة.

📱

بطارية أيون الليثيوم Li-ion

⚖️

أخف فلز · E°red = −3.04 V

📱

3 V

جوال · لابتوب · سيارات حديثة

🔄

3 طبقات

LiCoO₂ (+) · LiC₆ (−) · عازل · LiPF₆

⁦

LiC_{6} + CoO_{2} discharge charge C_{6} + LiCoO_{2} E_{cell} = 3 V

⁩

🗺️

تصور — أنواع البطاريات

flowchart TB
 P["Primary"] --> M["Mercury"]
 P --> F["Fuel cell"]
 S["Secondary"] --> L["Lead-Acid"]
 S --> Li["Li-ion"]
 S --> C["Charge = Electrolytic"]

⚠️

أخطاء شائعة

❌

Fuel cell تخزن طاقة

✅

وقود مستمر — لا تخزين

📐

التيار الكهربي

نُلقي نظرةً أكثر تفصيلًا على نوع معيَّن من الخلايا الجلفانية الأولية، وهي بطارية الزئبق. لم

التيار الكهربي

تتكوَّن خلية الزئبق من مهبط من أكسيد الزئبق، ومصعد من الزنك، بالإضافة إلى إلكتروليت هيدروكسيد

نُلقي نظرةً أكثر تفصيلًا على نوع معيَّن من الخلايا الجلفانية الأولية، وهي بطارية الزئبق. لم

التيار الكهربي

تتكوَّن خلية الزئبق من مهبط من أكسيد الزئبق، ومصعد من الزنك، بالإضافة إلى إلكتروليت هيدروكسيد

🔥

خلية الوقود

نُلقي نظرةً فاحصة على كيمياء خلية الوقود الهيدروجينية.

خلية الوقود

تعتمد الخلايا الجلفانية على تفاعلات الأكسدة والاختزال وتدفُّق الإلكترونات التي تنتجها هذه

💡

مثال ٣: استخدام اتجاه التيار في خلية وقود هيدروجينية لتحديد القطب الذي…

يُمثِّل الشكل الآتي خلية وقود هيدروجينية.

مثال ٣: استخدام اتجاه التيار في خلية وقود هيدروجينية لتحديد…

بالنظر إلى اتجاه الإلكترونات في الجزء العلوي من الدائرة الكهربية، الموضَّح بالسهم

🧬

الرصاص الإسفنجي

وعادةً ما تُوضَع فواصل لوحية لمنع تلامس المصعد مع المهبط. يتكوَّن الإلكتروليت في هذه الخلية من حمض الكبريتيك المخفَّف، H S O 2 4. لدينا ست خلايا إجمالًا، وجميعها مغلَّف بالمطاط والبلاستيك أو بأحدهما، مثل البولي ستايرين؛ لعزل البطارية عن باقي السيارة. فيما يلي مخطَّط لشكل بطارية الرصاص الحمضية النموذجية.

الرصاص الإسفنجي

يمكننا فهم كيمياء الخلايا الكهروكيميائية من خلال دراسة المعادلات النصفية التي تحدث عند كل قطب. توجد أنواع مختلفة من المعادلات النصفية، لكن تنتج عنها جميعًا المعادلة النهائية نفسها لبطارية الرصاص الحمضية خلال تفريغها.

🏭

يوضِّح الشكل الآتي تركيب بطارية أيون الليثيوم النموذجية. يمكن استخدام…

يوضِّح الشكل الآتي تركيب بطارية أيون الليثيوم النموذجية. يمكن استخدام الشكل أيضًا لفهم اتجاه حركة الأيونات والإلكترونات خلال التفريغ.

يوضِّح الشكل الآتي تركيب بطارية أيون الليثيوم النموذجية. يمكن…

تحدث التفاعلات الآتية خلال التفريغ. يتفكَّك جرافيت الليثيوم إلى جرافيت وأيونات ليثيوم وإلكترونات عند المصعد: L i C ( ) C ( ) + L i ( ) + e 6 6 + – s s a q

⚡

تحدث التفاعلات العكسية خلال عملية إعادة الشحن.

وتتفاعل أيونات الجرافيت والليثيوم لتكوين جرافيت الليثيوم مرةً أخرى عند المهبط: C ( ) + L i ( ) + e L i C ( ) 6 + – 6 s a q s

🔬

تجربة عملية — vault البطاريات

Dry cell (Zn|C) · Lead-Acid 2.05 V · Li-ion 3 V · Fuel cell 1.23 V. شحن Lead-Acid = إلكتروليتية عكسية.

1أولية = لا شحن

2Lead-Acid قابلة للشحن

3Fuel cell H₂+O₂

4Li-ion 3 V

🃏

بطاقات مراجعة سريعة (12)

🏅

مسار إتقان الدرس

📝

اختبر فهمك

أسئلة تطبيقية

٠ / ٦

٠١

أولية:

٠٢

Fuel cell E° (V):

٠٣

Lead-Acid E° (V):

٠٤

شحن Lead-Acid:

٠٥

Li-ion E°:

٠٦

Mercury cell:

➡️

الدرس التالي

🛡️

التالي: تآكل المعادن والصدأ

📖

الدرس التالي تآكل المعادن وحماية الحديد من الصدأ

ابدأ ←

الخلايا الجلفانية التجارية (الأولية والثانوية)

أسئلة تطبيقية

انتهت المعاينة المجانية (5 / 5 دروس)

توليد المحتوى التفاعلي