هل نعمل على البطاريات؟ فكر فقط بجميع الأشياء المهمة في الحياة الحديثة مثل الكمبيوتر المحمول، السيارات، أجهزة تنظيم ضربات القلب، جميعها تعمل على البطاريات وإذ ما تم إخراجها يمكن وضع العالم أجمع بحالة توقف. على مدى أبعد بدا في الحقيقة أنّ أغلب الأشياء في الحياة تعتمد بشكل كبير على الكيمياء، والبطاريات لديها الدالة على ذلك.
ما هي كيمياء البطاريات
نوع الكيمياء التي تجري داخل البطارية تُعرف بالكيمياء الكهربائية التي تتضمن بشكل أساسي تبادل ونقل الالكترونات. هذا الانتقال يحدث من ذرة تتبرع بالكترون إلى ذرة تستقبل الكترون، المفتاح في هذه الحالة هو وضع جهاز بين نصفي التفاعل هذين. التفاعل النموذجي يحدث في بطارية قلوية ويتضمن تفاعل عنصر الزنك مع ثنائي أكسيد المنغنيز لإنتاج أكسيد المنغنيز الثلاثي وأكسيد الزنك.دعونا نحاول فهم هذا التفاعل من خلال التفاعلات النصفية، يتم أولاَ ارجاع معدن الزنك الى أيون الزنك الثنائي (+2) في نفس الوقت يُرجَع المنغنيز الرباعي (+4) إلى المنغنيز الثلاثي (+3). بينما في توازن نصف التفاعلات نرى تحرر الكترونين خلال أكسدة الزنك وكل ذرة منغنيز رباعي (+4) تستهلك الكترون.
الماء وأيونات الهيدروكسيد الناتجة كنواتج ثانوية في التفاعل تأتي من محلول هيدروكسيد البوتاسيوم الأساسي أو القلوي، بينما تجري هذه التفاعلات يكون نصفي التفاعل معزولين عن بعضهما لمنع التفاعل الكامل من الوصول إلى حالة التوازن، وتساعد بنية وشكل البطارية في عزل نصفي التفاعل هذين واستخدام الطاقة. وعندما يتصل المصعد والمهبط بواسطة موصّل فإنّ هذا يؤدي إلى نقل الالكترونات من نصف تفاعل إلى آخر. يتوضع الزنك في هذه الحالة في المنتصف (المركز) مع طبقة من السيليلوز لمنع ثنائي أكسيد المنغنيز من الاختلاط.
ما هي البطاريات القلوية
البطاريات القلوية هي من نوع التفاعل الغلفاني، الشيء المهم الذي يجب أخذه بعين الاعتبار هي كمية الجهد الذي يولّدها التفاعل من أجل استخدامه بنجاح. الجهد المولّد من العديد من أنصاف التفاعلات متاح بسهولة على الانترنت، تعرف هذه القيمة أيضاً بجهد الارجاع القياسي للمواد.
كيمياء البطاريات القلوية
دعونا نعود إلى الخلية الغلفانية لنفهم جيداً كيفية عمل جهد الارجاع القياسي في أنصاف التفاعلات والجمع بين التفاعلات عامةً. في هذه الحالة تتأكسد أيونات الزنك ويتم ارجاع أيونات النحاس. تُقاس جهود الارجاع القياسية جميعها بالمقارنة بجهد الارجاع القياسي لأيون الهيدروجين الذي يُعتبر المرجع الأساسي. فعندما يتم ارجاع النحاس يولّد 0.34V أكثر من الهيدروجين لهذا نقول أنّ جهد الارجاع القياسي للنحاس هي +0.34V ، تكون هذه القيمة للزنك هي -0.76V .
بينما في تفاعل الخلية الغلفانية يكون الزنك هو ثنائي أكسيد وغير مرجَع. يمكننا تحويل نصف تفاعل الارجاع إلى نصف تفاعل أكسدة ببساطة بواسطة عكس الإشارة. الجهد الكهربائي للتفاعل ككل يُدعى جهد الخلية القياسي والذي هو مجموع الجهد القياسي لكل من نصفي التفاعل، في هذه الحالة يكون 1.1V ، بجهد أكبر يمكن ارجاع مزيد من الطاقة الكهربائية. إذا كان الجهد موجب سيتجه التفاعل باتجاه الأمام وإذا كان هذا الجهد سالب فسيتجه التفاعل بالاتجاه العكسي.
في حالة الكمبيوتر المحمول والهواتف المحمولة سيكون التفاعل تلقائي بما أنّ شرط الطاقة محررة. مزيج من الزنك، النحاس، محلول حمضي هو آلية عمل البطاريات والذي يساعدنا في جمع فوائد عديدة.
إذاً بعد التعرف بشكل موجز على كيمياء البطاريات … هل نحن نعمل على البطاريات؟
المصدر:
Everyday Chemistry – The Chemistry Of Batteries. (n.d.). Everyday. Retrieved September 3, 2014, from http://humantouchofchemistry.com/the_chemistry_of_batteries
