الخلايا الجلفانية: تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية

تعتبر الخلايا الجلفانية أحد أهم الاكتشافات في مجال العلوم والهندسة الكهربائية، حيث تمثل نقطة تحوّل هامة في فهمنا لكيفية تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.

تكمن أهمية الخلايا الجلفانية في استخدامها الواسع في البطاريات والأنظمة الكهروكيميائية، مما يساهم في تزويدنا بالطاقة الضرورية لتشغيل الأجهزة المحمولة والإلكترونيات الحديثة.

تمت تسمية الخلايا الجلفانية على اسم الفيزيائي والطبيب الإيطالي لويجي جالفاني (1737-1798) ، الذي لاحظ أن عضلات أرجل الضفادع المقطوعة تنتفخ عند تطبيق صدمة كهربائية صغيرة ، مما يدل على الطبيعة الكهربائية للنبضات العصبية.

تعريف الخلايا الجلفانية :

مبدأ  الخلية الجلفانية:

يرجع العمل الكهربائي الذي تقوم به خلية جلفانية بشكل أساسي إلى طاقة جيبس ​​لتفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي في الخلية الجلفانية.

يتكون بشكل عام من خليتين نصفيتين وقنطرة ملحية . تتكون كل نصف خلية أيضًا من قطب كهربائي مغمور في إلكتروليت. هاتان الخليتان النصفيتان متصلتان بمقياس الفولتميتر ومفتاح خارجي بمساعدة الأسلاك المعدنية.

في بعض الحالات ، عندما يتم غمس كلا القطبين في نفس المحلول، لا يلزم وجود  قنطرة ملحية .

أجزاء من الخلية الجلفانية

• الأنود : يحدث الأكسدة في هذا القطب.
• الكاثود: يحدث الاختزال في هذا القطب.
• القنطرة الملحية : يحتوي على إلكتروليتات مطلوبة لإكمال الدائرة في خلية جلفانية.
• نصف الخلايا : يتم فصل تفاعلات الاختزال والأكسدة إلى مقصورات.
• الدائرة الخارجية :تجري تدفق الإلكترونات بين الأقطاب الكهربائية

 كيفية عمل الخلية الجلفانية

• في الخلية الجلفانية ، عندما يتعرض قطب كهربائي للإلكتروليت عند واجهة القطب الكهربائي ، تميل ذرات القطب المعدني إلى توليد أيونات في محلول الإلكتروليت تاركًا وراءها الإلكترونات عند القطب. وبالتالي ، جعل القطب المعدني مشحونًا سالبًا.
• بينما في الوقت نفسه ، تميل الأيونات المعدنية في محلول الإلكتروليت أيضًا إلى الترسب على قطب كهربائي. وبذلك يصبح القطب موجب الشحنة.
• في ظل حالة التوازن ، يتم ملاحظة فصل الشحنة واعتمادًا على ميول تفاعلين متعارضين ، يمكن أن يكون القطب موجبًا أو سالبًا. ومن ثم ، يتم تطوير فرق الجهد بين القطب الكهربائي والإلكتروليت.
• يُعرف فرق الجهد هذا باسم جهد القطب.
• من بين قطبين ، يسمى القطب الذي تحدث فيه الأكسدة بالقطب الموجب الانود بينما يسمى القطب الذي يحدث فيه الاختزال بالقطب السالب الكاثود.
• وهكذا ، ينشأ فرق جهد بين قطبين للخلية الجلفانية. يُعرف فرق الجهد هذا باسم جهد الخلية.
• عندما لا يتم سحب أي تيار من الخلية الجلفانية ، يُعرف جهد الخلية بالقوة الدافعة الكهربائية للخلية الجلفانية.
• عندما يتم ضبط المفتاح ، بسبب اختلاف الجهد ، تتدفق الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب.

مثال على  خلية جلفانية:

تم إدخال الخلايا الكهروكيميائية أو الجلفانية كأداة لدراسة الخصائص الديناميكية الحرارية للأملاح المنصهرة منذ أكثر من قرن مضى.

خلية دانيال هي مثال لخلية جلفانية تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.

تفاعلات خلية دانيال عند الكاثود والأنود هي:

عند الكاثود:  Cu ²⁺ + 2e ^–  → Cu

عند الآنود:  Zn → Zn²⁺ + 2e^–