البطاريات - الكيمياء 3 - ثالث ثانوي

4-2 رابط الدرس الرقمي الأهداف البطاريات Batteries www.ien.edu.sa ) تصف تركيب البطارية الجافة الفكرة الرئيسة البطاريات خلايا جلفانية تستعمل التفاعلات التلقائية لإنتاج الطاقة لأغراض متعددة. التقليدية المصنوعة من الكربون والخارصين ومكوّناتها وآلية عملها. الربط مع الحياة تأمل قليلاً عند كتابة قائمة بالأشياء التي تستعمل فيها البطاريات؛ تميز بين البطاريات الأولية والثانوية، فقد تضم قائمتك المصباح الكهربائي والسيارات والهواتف والمذياع والحاسبات وتعطي مثالين على كل نوع والساعات والألعاب وغيرها. فهل جميع البطاريات في هذه الأجهزة متشابهة؟ تفسّر ترکيب خلية الوقود (الهيدروجين (الأكسجين وعملها . الخلايا الجافة Dry Cells تزود بعض تفاعلات الخلايا التلقائية التي درستها البطاريات بالطاقة التي نستعملها تصف عملية تآكل الحديد وطرائق يوميًا . والبطارية عبارة عن خلية جلفانية أو أكثر في عبوة واحدة تنتج التيار الكهربائي. حمايته من التآكل. مراجعة المفردات ولقد كانت البطارية الجافة المكونة من الخارصين والكربون، كما في الشكل 8-4، الأكثر استعمالا منذ اكتشاف البطارية عام 1860 م حتى الآن. هي التفاعل العكسي التفاعل الذي خلية الخارصين والكربون الجافة الخلية الجافة هي خلية جلفانية؛ حيث يكون يمكن أن يحدث في الاتجاهين الطردي 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 والعكسي. المفردات الجديدة البطارية الخلية الجافة البطارية الأولية البطارية الثانوية خلية الوقود التآكل الجلفنة الخارصين هي الأنود في الخلية؛ حيث يحدث تأكسد الخارصين بحسب المعادلة الآتية: Zn2+(aq) + 2e → Zn(s) 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 (1) 144 الشكل -- تتكون ما يطلق عليه الخلية الجافة من عجينة رطبة يحدث فيها نصف تفاعل الاختزال وتعمل حافظة الخارصين في خلية الخارصين والكربون عمل الأنود. كاثود كربون عجينة من فواصل ZnCl2,MnO2 NH4Cl, خلية الخارصين والكربون الجافة أنود خارصين وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

Zn في KOH غطاء الأنود الكاثود MnO2 ( الأنود) وعاء الكاثود غلاف ( الأنود) عجينة Zn-KOH وعاء فولاذي حبيبات من Ag2O في فواصل ملف نحاسي البطارية القلوية الجرافيت (الكاثود) بطارية الفضة تشبه بطارية الفضة إلى حد كبير البطارية القلوية، على الرغم من أنها تظهر مختلفة وتستعمل أكسيد الفضة ,Ag في الكاثود بدلاً من أكسيد المنجنيز تستخدم البطارية القلوية مسحوق الخارصين كأنود 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 الشكل 9-4 البطاريات القلوية للسماح بتحرك الأيونات، ومن ثم فإنها تشبه إلى حد كبير نموذج الخلية الجلفانية الذي أكثر كفاءة من خلية الخارصين والكربون الجافة، وأكثر نفعا عند درسته في القسم 1-4 وتنتج خلية الخارصين والكربون الجافة V 1.5 حتى يبدأ إنتاج الأمونيا بوصفه ناتج تفاعل الاختزال عن محلولها المائي في صورة غاز. وعندها ينخفض الحاجة إلى بطاريات صغيرة الجهد إلى مستوى يجعل البطارية غير نافعة. الحجم. أما بطاريات الفضة البطاريات القلوية لقد حلت الخلية القلوية الجافة الأكثر كفاءة، محل خلية الخارصين فهي أصغر حجمًا من القلوية، والكربون الجافة في الكثير من التطبيقات كما في الشكل .49. ويوجد الخارصين في الخلية وتناسب الأجهزة الصغيرة القلوية على هيئة مسحوق، مما يوفر مساحة سطح أكبر للتفاعل، ويخلط الحجم مثل الساعات. هیدروکسید مع البوتاسيوم على شكل عجينة، وهي قاعدة قوية، وتوضع العجينة في علبة من الفولاذ. ويقوم مخلوط من ثاني أكسيد المنجنيز وهيدروكسيد البوتاسيوم مقام الكاثود. ويمكن تمثيل تفاعل الأنود لنصف الخلية على النحو الآتي: أما تفاعل الكاثود لنصف الخلية فهو : Zn(s) + 20H +20H(aq) → ZnO(s) + H2O(l) +2е¯ MnO2(s) + 2H2O₁₁) +2e˜¯ (1) Mn(OH)2(s) + 20H¯ (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 أصغر حجما، 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(1) +2e¯¯→ 2Ag(s) + 20H(aq) ماذا قرأت؟ حدّد أنصاف التفاعلات المشتركة التي تحدث في كل من البطاريات القلوية، وبطاريات الفضة. وزار سليم 145 Ministry of Education 2024-1446

مصدر غطاء كرة التهوية غطا. سدادة لب الشحنة الموجبة KOH كاثود أكسيد النيكل أنود من مسحوق الكادميوم المضغوط فواصل قرص عازل وعاء من الفولاذ BATTERY الشكل 10-4 تزود الأدوات 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 تُسمى 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 .10-4. 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) + 20H(aq) → Cd(OH)2(s) +2e- أما تفاعل الكاثود فهو اختزال النيكل من حالة تأكسد +3 إلى +2 → Ni(OH) 2 (s) + OH¯ (aq) NiO(OH)(s) + H2O(1) +e¯ → وتحدث هذه التفاعلات بشكل عكسي عند شحن البطارية. بطاريات تخزين المركم الرصاصي الحمضية والهواتف اللاسلكية عادة بالطاقة Lead-Acid Storage Battery بواسطة بطاريات يمكن إعادة هذا النوع من البطاريات شائع الاستخدام في السيارات وتتكون معظم بطاريات شحنها ، ويتم إعادة شحن بطارية السيارات من 6 خلايا تولد كل منها 20 ليصبح ناتجها الكلي 12V. ويتكون الأنود NiCad عند توصيلها بمصدر في كل خلية من شبكتين مساميتين أو أكثر من الرصاص. أما الكاثود فيتكون من كهربائي يزودها بالطاقة لتدفع شبكة واحدة من الرصاص المملوءة بأكسيد الرصاص .IV. ويجب أن يسمى هذا النوع تفاعل الشحن غير التلقائي للحدوث . 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 10.0 إلى 2+ في PbSO . PbSO4) +2e Pb(s) + SO4 (aq) 4 ويختزل الرصاص من حالة تأكسد +4 إلى +2 عند الكاثود، ويمثل تفاعل الاختزال لنصف الخلية عند الكاثود كما يلي: لذا فإن التفاعل الكلي هو : PbO2(s)+ 4H+ + SO42 (aq) →> +2e Pb(s)+ PbO2(s)+ 4H* (aq) +2SO4(aq) . PbSO4) + 2H20 4(s) PbSO4(s)+2H2O(1) (aq)+2SO4(aq) →2 PbSO4(s) +2H2O(1) وبالنظر إلى تفاعلات نصفي الخلية يمكنك ملاحظة أن كبريتات الرصاص PbSO IIة التعليم Ministry of Education 2024-1446 146

يسبب انخفاض مستوى المحلول الموصل نفاد شحنة البطارية . وتقوم أسلاك الشحن بنقل التيار من سيارة بها بطارية جيدة وذلك لإعادة شحن البطارية المستهلكة. القطب الموجب القطب السالب مر رابط الخلية . محلول H2SO4 الكاثود (صفائح من PbO2) عازل الأنود (شبكة من الرصاص مملوءة برصاص إسفنجي) تحتوي بطاريات المركم الرصاصي على صفائح من الرصاص وأكسيده ، والمحلول الموصل عبارة عن محلول حمض الكبريتيك ، وعند استعمال البطارية يُستهلك الحمض ويصبح المحلول الموصل أقل كثافة . 4 هي ناتج الأكسدة والاختزال. وكذلك فإن كلا من : PbO و Pb و PbSO مادة صلبة، الشكل 11-4 تستهلك بطاريات لذا تبقى في مكان تكوُّنها نفسه. ولذلك تكون المواد المتفاعلة في الأماكن المطلوبة سواء المركم الرصاصي المستعملة في أكانت البطارية في حالة استعمال أو شحن. السيارات عند تشغيل السيارة، يعمل حمض الكبريتيك عمل محلول موصل بالبطارية، إلا أنه يُستهلك في أثناء توليد البطارية وتشحن عندما يعمل المحرك. للتيار الكهربائي، كما توضح معادلة الخلية الكلية ذلك. ماذا يحدث عند إعادة شحن البطارية ؟ يصبح التفاعل في هذه الحالة عكسيًّا؛ لينتج الرصاص وأكسيد الرصاص IV -2 وحمض الكبريتيك، والموضح بالجزء في المعادلة (aq) + 204 - 2 (aq) الكلية للبطارية. 4H+ من المعادلة المفردات وتعد بطاريات تخزين المراكم الرصاصية في الشكل 11-4 اختيارًا جيدًا للسيارات؛ لأنها تزود المحرك بطاقة ابتدائية عالية جدا في البداية، ولها زمن حفظ طويل قبل البيع، ويُعتمد أصل الكلمة عليها عند انخفاض درجات الحرارة. السعة ( Capacity ) ماذا قرأت ؟ حدّد المواد التي تتأكسد والمواد التي تختزل عند شحن بطارية المركم الرصاصي. من أصل لاتيني وتعني القدرة على الاستيعاب أو الاحتواء. 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 المكوّن الأهم ويجب تزويدها بكميات كبيرة من القدرة - كما في عملية تشغيل السيارات الكهربائية – تكون بطاريات المركم الرصاصي ثقيلة جدا ، 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 V 3.04- كما في الجدول 1-4. لذا تولد البطارية التي تؤكسد الليثيوم على الأنود V 2.3 تقريبًا أكثر من البطاريات المشابهة، وتؤدي إلى تأكسد الخارصين. 147 وزارة ليم Ministry of Education 2024-1446

تزود بطاريات الليثيوم سيارة التجربة هذه بطاقة تجعلها تسير بسرعة قصوى تنتج بطاريات الليثيوم عادة 3 و 9 فولت، ولها عدة أحجام لتناسب الأجهزة المختلفة مقدارهاkm/h 113 قبل أن يعاد شحنها . كما أنها تستطيع السير مسافة km 320 الشكل 12-4 الصفات التي تجعل قارن بين نصف تفاعل التأكسد للخارصين والليثيوم وجهود اختزالها القياسية. بطاريات الليثيوم الاختيار الأمثل للعديد من الاستعمالات هي الوزن وطول العمر والجهد العالي خفة واقع الكيمياء في الحياة خلايا الوقود (EZn³ | Zn = -0.762 V) (ELi Li = -3.04 V) + 2e- Zn(s) → Zn2+ (aq) Li (s) → Li+ (aq) + e Eº Zn2+ | Zn - E Li*|Li = +2.28 V Eli يمكن لبطاريات الليثيوم أن تكون أولية أو ثانوية اعتمادًا على أي تفاعلات اختزال تم دمجها مع تأكسد الليثيوم. تستخدم بعض بطاريات الليثيوم مثلاً تفاعل الكاثود نفسه الذي تستعمله الخلايا الجافة الخارصين والكربون، وهو اختزال أكسيد المنجنيز IV MnO إلى أكسيد المنجنيز MnO III ، وتنتج هذه البطاريات تيارًا ذا جهد يساوي 3V مقارنة بـ 1.5 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 12-4 يوضح التطبيقات الحالية والمطورة لبطاريات الليثيوم. ماذا قرأت ؟ اذكر ثلاث مزايا البطاريات الليثيوم. خلايا الوقود Fuel Cells التقليل من التلوث تعد السيارات ينفجر الهيدروجين بقوة كبيرة عند احتراقه في الهواء، وينتج عنه ضوء وحرارة. من أكبر مصادر تلوث الهواء في المدن. → 2H2(g) + (g) + 2H2O + energy O2(g) (1) وقد أدى تزويد حافلات - تحت التجربة فهل يمكن أن يحدث هذا التفاعل تحت ظروف مضبوطة داخل الخلية؟ الفيزياء خلية الوقود خلية جلفانية؛ حيث ينتج الوقود طاقة الربط تأكسد في بعض المدن الأوربية – بخلايا وقود كهربائية. وتختلف خلايا الوقود عن البطاريات الأخرى؛ لأنها تزود بالوقود باستمرار الهيدروجين إلى إحداث فرق في كمية التلوث. كما تخلو عوادم هذه الحافلات من مصدر خارجي. ويعتقد الكثيرون أن خلايا الوقود اختراع حديث، إلا أن الخلايا من ثاني أكسيد الكربون أو أي من الأولى عُرضت عام 1839م عن طريق عالم الكيمياء الكهربائية البريطاني وليام جروف William Jrove والذي سمّى خليته بطارية الغاز. وقد بدأ بعض العلماء عملاً 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 أكاسيد النيتروجين أو الكبريت والماء النقي هو الناتج الوحيد. 148 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

= بالكهرباء. والحاجتان السابقتان كلتاهما ساعدنا على تطوير خلايا وقود الهيدروجين التي مهن في الكيمياء تضبط عملية تأكسد الهيدروجين وتزوّد السفينة بالماء والكهرباء؛ إذ لا يصاحب ذلك اختصاصي الطاقة البديلة إنتاج مواد جانبية ينبغي التخلص منها أو تخزينها على السفينة خلال الرحلة. إذا كنت ترغب في اختراع أشياء كيف تعمل خلية الوقود ؟ الخلية الوقود - كما في الخلايا الجلفانية الأخرى – أنود وكاثود، جديدة وجعلها تعمل فقد تكون وتتطلب محلولاً موصلا؛ حتى تستطيع الأيونات الانتقال بين الأقطاب. والمحلول الموصل مهتما بالمساعدة على تطوير الشائع في خلية الوقود محلول قلوي من هيدروكسيد البوتاسيوم. وكل قطب عبارة عن مصادر طاقة لهذا العالم وعاء أجوف، جدرانه من كربون مسامي تسمح بالاتصال بين الحجرة الداخلية والمحلول يعتمد عليها بصورة متزايدة. الموصل المحيط بها. ويكتب نصف تفاعل الأكسدة للخلية على الأنود على النحو الآتي: وتتضمن هذه التقنيات الطاقة 2H2(g) + 40H¯(aq) → 4H2O(l) + 4e¯ الشمسية والرياح والطاقة ، الجوفية، وطاقة التيارات يستعمل التفاعل أيونات الهيدروكسيد المتوافرة في المحلول الموصل القلوي، ويطلق المائية، واستعمال تدرج درجات إلكترونات على الأنود. فتتدفق الإلكترونات الناتجة عن أكسدة الهيدروجين خلال الحرارة في تجمعات الماء، الدائرة الخارجية نحو الكاثود؛ حيث يحدث نصف تفاعل الاختزال على النحو الآتي: 40H(aq) O2(g) + 2H2O(l) +4e¯ →40H¯ (aq) وغيرها. تختزل الإلكترونات الأكسجين عند وجود الماء لإنتاج 4 أيونات هيدروكسيد تعمل على الشكل 13-4 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 (1) a. يكون الهيدورجين هو الوقود. ويتم فصل نصفي التفاعل بواسطة غشاء لتبادل البروتونات؛ حيث تتدفق الإلكترونات الخارجية للوصول إلى موقع الاختزال ولما كانت الخلية تزود بالوقود من مصدر خارجي فإن خلية الوقود لا تنفد مثل سائر المفقودة من عملية الأكسدة في الدائرة البطاريات؛ حيث تستمر في إنتاج الكهرباء ما دام الوقود متوافرا. وتستخدم بعض الخلايا وقودًا غير الهيدروجين. فمثلاً يستبدل الهيدروجين بالميثان وخلال انتقالها تقوم بعمل مفيد كتشغيل في بعض الخلايا إلا أنه قد يؤدي إلى إنتاج ثاني أكسيد الكربون كغاز الدفيئة. محرك إلكتروني. أما الناتج الجانبي وتستعمل خلايا الوقود ، كما في الشكل ،13-4، صفيحة بلاستيكية تسمى غشاء تبادل لتفاعل الأكسدة والاختزال فهو الماء . البروتون PEM) aproton - exchange membrane)، مما يستبعد الحاجة إلى محلول b. يمكن لخلايا الحزمة من نوع PEM إنتاج طاقة كافية لتشغيل موصل سائل. ماذا قرأت؟ قارن خلايا الوقود بغيرها من الخلايا الجلفانية. سيارة كهريائية . 149 وزار سليم Ministry of Education 2024-1446 خلية وقود b a صفيحة الجمع تيار إلكترونات كاثود أنود 20 2H+ H2 · 2H+ + 2e 1/202 + 2H+ + 2e → H20 H2 (PEM) HO

150 مختبر تحليل البيانات تفسير الرسوم البيانية كيف يمكنك الحصول على التيار الكهربائي من 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 الميكروبات؟ درس العلماء استعمال الميكروبات الفلز الناتج عن تفاعل أكسدة واختزال بين الفلز والمواد كخلايا وقود حيوية؛ حيث تحول هذه الخلايا الطاقة التي في البيئة. وعلى الرغم من الاعتقاد أن الصدأ ناتج عن الأيضية الميكروبية بصورة مباشرة إلى طاقة كهربائية. تفاعل الحديد مع الأكسجين إلا أنه تفاعل أكثر تعقيدًا. ولما ويسهّل إلكترون وسيط انتقال الإلكترونات إلى كان الصدأ يحدث عند توافر كل من الماء والأكسجين، لذا فإن قطعة الحديد التي تركت معرضة للهواء والرطوبة تكون ضمن سلسلة انتقال الإلكترون للخلايا ويسرق أكثر عرضة للصدأ، كما في الشكل 14-4؛ حيث يصدأ الجزء القطب. والإلكترون الوسيط عبارة عن مركب يدخل الإلكترونات المنتجة. البيانات والملاحظات المتصل بالتربة الرطبة أولاً . ويبدأ الصدأ عند وجود شق أو كسر في سطح الحديد. ويصبح هذا الجزء أنود الخلية؛ حيث تبدأ يوضّح الرسم البياني التيار الناتج عن خلية ذرات الحديد في فقدان الإلكترونات، كما في الشكل 15-4. وقود حيوية باستعمال إلكترون وسيط (الخط الأزرق)، ومن دون استعماله (الخط الأخضر). 3 التيار بدلالة الزمن 2 الزمن (h) التفكير الناقد 4.0 3.0 2.0 1.0 08 0 1 التيار (mA) 1. استنتج الزمن التقريبي لإدخال الإلكترون الوسيط. 2. حدد هل أحدث إدخال الإلكترون الوسيط اختلافًا في إنتاج التيار؟ فسّر إجابتك. 3. حلّل ما أعلى شدة تيار تم الحصول عليها من (aq) + 2e- → Fe2+ Fe(s) 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 الاتصال بين الماء والهواء وقطعة الحديد. وهناك تختزل الإلكترونات الأكسجين من الهواء، كما في المعادلة الآتية: O2(g) +4H+ (aq) -> +4e 2H2O(1) ويتم تزويد أيونات H على الأرجح من تكوّن حمض الكربونيك الناتج عن ذوبان CO2 من الهواء في الماء. ثم تتأكسد أيونات الشكل 14-4 يتأكسد الحديد ببطء عند تركه مكشوفا ومعرضًا للهواء والرطوبة مكونا الصدأ (Fe2O3). الخلية؟ وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

4Fe2+ + 20, (aq) 2(g) + 2H2O + 4e¯¯→ 2Fe2O3(s) + 4H+ (aq) الشكل 15-4 يحدث التآكل صدأ. عندما يكون كل من الماء والهواء والحديد خلية جلفانية. سم المادتين اللتين تأكسدتا عند الأنود. حديد (aq) 3+ + 2e (aq) +e أنود Fe(s) 2+ → Fe²+ (aq) → Fe هواء ماء Fe 2+ Fe 3+ كاثود Fe + 4e → → 2H₂O (aq) الحديد +Fe2 في المحلول إلى أيونات Fe عن طريق التفاعل مع الأكسجين الذائب في الماء. وتتحد أيونات Fe بالأكسجين لتكوين صدأ غير ذائب من Fe2O3 (aq) + 202(g) +2H2O(l) +4e¯ → 2Fe2O3(s) +H (aq) 4Fe²+ وعند جمع المعادلات الثلاث تنتج المعادلة الكلية لتفاعل الخلية لتآكل الحديد: 4Fe(s)+302(g) → 2Fe2O3(s) والصدأ عملية بطيئة؛ لأن قطرات الماء تحتوي على كمية قليلة من الأيونات، لذا فهى 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 محلولاً موصلا جيدًا . منع التآكل لما كان تآكل السيارات والجسور والسفن وهياكل المباني الفولاذية والعديد من الأشياء الفلزية يكلف أكثر من 100 بليون دولار من الخسائر سنويا 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 16-4 مثلا، فإنه يجب إعادة طلائه مرات عديدة. الشكل 16-4 لما كان التآكل يسبب الكثير من الضرر فإنه من الأهمية بمكان إيجاد طرائق لمنع الصدأ. والطلاء أو أحد أي غطاء حماية آخر هو طرائق حماية هياكل المباني الفولاذية من التآكل. 02 2(g) + 4H+ 151 وزار ليم Ministry of Education 2024-1446

ملاحظة التآكل أي الفلزات ستتآكل؟ خطوات العمل B 1. اقرأ تعليمات السلامة في المختبر. 4. اترك الكؤوس في أكثر الأماكن دفئًا خلال الليل، وافحص المسامير 2. استعمل ورق الصنفرة لتلميع سطوح أربعة مسامير حديد، والمحاليل في اليوم التالي، وسجل ملاحظاتك. وغلّف مسمارين بشريط ماغنسيوم، وغلف مسمارين آخرين بقطع من النحاس، وتأكد من إحكام لفّ المسامير حتى لا تنزلق. التحليل 3. ضع المسامير في كؤوس منفصلة، وأضف ماء مقطّرًا إلى 1. صف الاختلاف بين المسامير الملفوفة بالنحاس في الماء المقطر أحد المسمارين الملفوفين بالماغنسيوم وأحد المسمارين الملفوفين والماء المالح بعد تركها خلال الليل. بالنحاس، وأضف كمية ماء كافية حتى تغمر المسمارين، ثم أضف 2 صف الاختلاف بين المسامير الملفوفة بالماغنسيوم في الماء المقطر ماء مالحا إلى الكأسين الأخريين، وسجل ملاحظاتك عن والماء المالح بعد تركها خلال الليل. المسامير في كل كأس. 3. فسّر الاختلاف بين المسامير الملفوفة بالنحاس والمسامير الملفوفة بالماغنسيوم. 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 الماغنسيوم 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 الماغنسيوم بواسطة أسلاك بالأنابيب، فيتآكل الماغنسيوم بدلاً من الأنابيب، كما في الشكل 17-4. الشكل 17-4- يستعمل الماغنسيوم أو أي فلز نشط آخر لمنع التآكل؛ إذ يتأكسد الماغنسيوم الملفوف حول أنابيب الحديد المدفونة في الأرض أولًا، مما يساعد على منع تأكل الأنابيب. 152 أنبوب حديدي تحت الأرض الأكسدة : الاختزال : تربة رطبة قطب ماغنسيوم 2+ .Mg+ -> Mg(s) 02 2(g) +4H+ + 2e (aq) +4e → (aq) > 2H2O) وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

طبقة من الخارصين حديد الكاثود: اختزال الأكسجين في الماء قطرة ماء HO طبقة من أكسيد الخارصين ►Zn2+ Zn 2e جسم مجلفن بطبقة خارصين مشققة يتأكسد أنود الخارصين طبقة من الخارصين جسم من الحديد HO طبقة من أكسيد الخارصين جسم مجلفن بطبقة خارصين سليمة إذا تشققت طبقة الخارصين الخارصين هو يصبح حيث يتأكسد غطاء الخارصين بدلا من الحديد الأنود، المضحي؛ تعزل طبقة الخارصين الحديد عن الماء والهواء عن طريق تكوين حاجز من أكسيد الخارصين يصد الماء والأكسجين . بطريقتين. والطريقة الأخرى لمنع التآكل هي الجلفنة؛ إذ يتم بها تغليف الحديد بفلز أكثر مقاومة للتأكسد. وكمثال الشكل 18-4 تساعد على ذلك يتم تغليف الحديد بطبقة من الخارصين؛ إما عن طريق غمس القطعة الحديدية بمصهور الجلفنة على منع التآكل الخارصين، وإما بطلاء الجسم بالخارصين كهربائيا. وعلى الرغم من أن الخارصين يتأكسد أسهل من الحديد إلا أنه أحد العناصر التي تحمي نفسها، وتتضمن الألومنيوم والكروم. فعند تعرضها للهواء يتأكسد سطحها مكوّنا 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 الخارصين أنود الخلية الجلفانية المتكونة ملامسة الهواء والماء للحديد والخارصين في الوقت نفسه. ويوضح الشكل 18-4 كيف تعمل طريقتا الحماية من التآكل. يصبح التقويم 2-4 الخلاصة 15. الفكرة الرئيسة حدد ما الذي يتأكسد ؟ وما الذي يختزل في بطارية الخلية تستخدم البطاريات الأولية مرة الجافة الخارصين والكربون؟ وما الخواص التي تجعل الخلية الجافة القلوية واحدة فقط، ولكن يمكن شحن أكثر تطورًا من أنواع البطاريات الجافة الأقدم؟ البطاريات الثانوية. 16. فسر ماذا يحدث عند إعادة شحن البطارية؟ تُزوَّد البطارية عند شحنها بطاقة 17. صف أنصاف التفاعل التي تحدث في خلية وقود الهيدروجين، واكتب كهربائية تعكس اتجاه تفاعل البطارية التلقائي. معادلة التفاعل الكلية. 18. صف عمل أنود عندما يستخدم قطبًا مضحيًا. وفيم يتشابه عمله مع الجلفنة؟ خلايا الوقود بطاريات تكون فيها المادة 19. فسّر لماذا يعد الليثيوم اختيارًا جيدًا ليكون أنودًا للبطارية؟ المتأكسدة وقودًا من مصدر خارجي. 20. احسب باستعمال بيانات الجدول 1-4 جهد خلية وقود الهيدروجين طرائق الحماية من التآكل هي: الطلاء، الأكسجين الموضحة في صفحة 138. أو التغليف بفلز آخر، أو استعمال 21. صمّم تجربة استخدم معرفتك بالأحماض في ابتكار طريقة لتحديد ما إذا كان المركم الرصاصي مشحونًا بصورة كاملة أم أن شحنه بدأ ينفد. أنود مضح. 153 وزار سليم Ministry of Education 2024-1446