الخميس، 30 ديسمبر 2010

التطبيقات العملية والتقانية على الخلايا الكهروكيميائية


الخلايا والبطاريات :-
تتكون أي خليةكهربائية(بطارية) من قطبين (موصلين للكهرباء في حالة الصلابة) و مادة الكتروليتية(محلول مائي موصل للكهرباء)
و البطارية التي نستعملها لأغراض متعددة يكون الالكتروليت فيها عادة من عجينة رطبة، و تكون الأقطاب معدنية أو يكون أحدهما من معدن و الآخر من الجرافيت حيث يكون المهبط هو القطب الموجب و المصعد هو القطب السالب، و تنتقل الالكترونات في الدائرة الخارجية من المصعد إلى المهبط منتجة الكهرباء عند اكتمال توصيل هذه الدائرة ، وهناك ثلاثة أنواع من هذه البطاريات هي:
1) الخلايا الأولية :
·  وهى أنظمة تختزن الطاقة فى صورة كيميائية والتى يمكن تحويلها عند اللزوم إلى طاقة كهربية من خلال تفاعل أكسدة واختزال تلقائى غير انعكاسى وتتوقف عن العمل عندما تستهلك مادة المصعد وتنضب أيونات المهبط.
·       لا يسهل (عملياً أو اقتصادياً) بل ربما يستحيل إعادة شحنها:
العمود الجاف كمثال عليها :-
التركيب:-
(1)           وعاء من الخارصين (أنود) قطب سالب.
(2)           عمود من الكربون (كاثود)
(3)           إلكتروليت:
·  عجينه رطبة من ثانى أكسيد المنجنيز (مادة مؤكسدة) وكلوريد أمونيوم وكربون مجزأ (يحيط بالكربون).
عجينه بيضاء من كلوريد خارصين وكلوريد أمونيوم
س :- وضح المعادلات النصفية عند كلا من المهبط والمصعد ؟
2- الخلايا الثانوية:-
·  هى خلايا جلفانية يمكن تتميز بأن تفاعلاتها انعكاسية (أى يمكن شحنها) تختزن الطاقة الكهربية على هيئة طاقة كيميائية والتى يمكن تحويلها إلى طاقة كهربية عند اللزوم.
·       يمكن إعادة شحنها.

س :- وضح المعادلات النصفية عند كلا من المهبط والمصعد ؟

3- خلايا الوقود :-
في عام 1839اختراع خلايا الوقود الهيدروجينية في إنجلترا وليام روبرت جروف، لعدم جدوى استخدامه في تلك الفترة ظل لأكثر من 130 سنة تقريبا مجمدا، وعادت للحياة في عقد الستينيات، وذلك عندما طورت شركة «جنرال إليكتريك» خلايا تعمل على توليد الطاقة الكهربائية اللازمة لإطلاق سفينتي الفضاء الشهيرتين «أبوللو» و«جيمني»، بالإضافة إلى توفير مياه نقية صالحة للشرب، كانت الخلايا في تلك المركبتين كبيرة الحجم وباهظة التكلفة، لكنها أدت مهامها دون وقوع أي أخطاء. ومن الممكن أن نعقد مقارنة بين تقنية خلايا الوقود الهيدروجينية وبطارية السيارة، من حيث فكرة دمج عنصري الهيدروجين والأكسيجين لإنتاج الكهرباء، لكن في حين أن البطاريات تتولى تخزين الوقود والعامل المؤكسد بداخلها مما يستوجب إعادة شحنها من حين لآخر، فإن خلايا الوقود تعمل بصفة مستمرة لأن وقودها والأكسجين يأتيان من مصادر خارجية، كما أن خلايا الوقود في حد ذاتها ليست سوى رقائق مسطحة تنتج كل واحدة منها فولطاً كهربائياً واحداً، وهذا يعني أنه كلما زاد عدد الرقائق المستخدمة كلما زادت قوة الجهد الكهربائي. مبدأ عمل الخلية :
1. ينساب الوقود الهيدروجيني على صفيحة المصعد ، في الوقت الذي ينساب فيه الأوكسجين على الصفيحة المقابلة و هي المهبط .
2. يسبب غشاء الفصل ( catalyst ) و الذي يوجد منها عدة أنواع منها ما يصنع من البلاتين انشقاق جزيء الهيدروجين إلى ذرتين تنشق كل منهما إلى أيون موجب ، و الكترون سالب .
3. تسمح صفيحة المحلل ( electrolyte ) فقط بمرور الأيونات ( البروتونات ) حاملة الشحنات الموجبة عبرها في حين تمنع مرور الاكترونات ، فتقوم هذه الأخيرة بالحركة عبر دارة وصل خارجية موصولة مع المهبط فتتحرك الالكترونات نحو المهبط فينشأ تيار كهربائي .
4. على المهبط تتحد الأيونات الهيدروجينية الموجبة مع الكتروناتها السالبة و مع الأوكسجين ليتشكل الماء الذي يتدفق خارج الخلية .

س :- وضح المعادلات النصفية عند كلا من المهبط والمصعد ؟

تكنلوجيا التحليل الكهربائي
1) الطلاء الكهربائي
الطلاء الكهربى: هو عملية طبقة رقيقة من فلز معين على سطح فلز آخر.
أهمية الطلاء:
[1] منع تآكل المعدن (الصدأ).           [2] إعطاء المعدن بريق ولمعان.
[3] زيادة القيمة الاقتصادية بطلاء معدن رخيص بمعدن نفيس.
تجربة عملية لطلاء إبريق بطبقة من الفضة:
[1] توصل المعدن المراد طلائها (الإبريق) بالقطب السالب للبطارية (الكاثود).
[2] توصل المادة المراد الطلاء بها (الفضة) بالقطب الموجب للبطارية (أنود).
[3] محلول إلكتروليتى من نيترات الفضة (AgNO3)

س :- وضح المعادلات النصفية عند كلا من المهبط والمصعد ؟

2- استخلاص العناصر
استخلاص الألومنيوم من البوكسيت (Al2O3)
·       بإضافة خليط من الكريوليت (Na3AlF6) وقليل من الفلورسبار (CaF2) لخفض درجة انصهار البوكسيت من 2045 5م إلى 950 5م
·       حديثاً يستعاض عن الكريوليت باستخدام مخلوط من أملاح فلوريدات كل من: الصوديوم والألومنيوم والكالسيوم (CaF2 - AlF3 - NaF) حيث يعطى المخلوط مع البوكسيت مصهور يتميز بانخفاض درجة انصهاره وانخفاض كثافته.
·       انخفاض كثافة المصهور يسهل فصل الألومنيوم المنصهر.
س :- وضح المعادلات النصفية عند كلا من المهبط والمصعد ؟
3) تنقية المعادن
تنقية النحاس 99% ردىء التوصيل للكهرباء لوجود شوائب من الخارصين والحديد والفضة والذهب للحصول على نحاس نقى 99.95% جيد التوصيل للتيار الكهربى.
[1] يوصل لوح النحاس الغير نقى بالقطب الموجب (أنود).
[2] يوصل سلك من النحاس النقى بالقطب السالب (كاثود).
[3] محلول إلكتروليتى من كبريتات النحاس.
س :- وضح المعادلات النصفية عند كلا من المهبط والمصعد ؟


أسئلة مهمة
س :-   علل لما يأتى (اذكر السبب العلمى):
   (1)           الأنود هو القطب السالب فى الخلية الجلفانية                            
   (2)           تعتبر بطارية السيارة خلية انعكاسية            
  (3)           تعتبر الخلايا الجلفانية خلايا انعكاسية   


س:-
اكتب استخداماً واحداً (ما الدور)
1)           عمود الجرافيت فى الخلية الجافة.                               
2)           يقوم به حمض الكبريتيك المخفف فى مركم الرصاص          
3)           المركم الرصاصى                                             
 4)           القنطرة الملحية فى الخلية الجلفانية                          
5)           وعاء الخارصين فى الخلية الجافة                                         

س :-  اشرح الخطوات التى تتبع فى تنقية فلز النحاس غير النقى باستخدام التحليل الكهربى  ؟
س:- ارسم قطاع داخل الخلية الجافة موضحاً البيانات على الرسم 
س:- إذا أعطيت ملعقة من الحديد اشرح الخطوات التى تتبعها لطلائها كهربياً بالفضة؟
س:- بين بالمعادلات الرمزية التفاعل الكيميائى الكلى الذى يحدث داخل مركم الرصاص                                                          
عندما يبدأ فى إعطاء تيار كهربى (عند عملية التفريغ)   
س:- اشرح كيف تتم عملية إعادة شحن بطارية السيارة (مركم الرصاص) مع كتابة المعادلة 
س:- قارن بين بطارية السيارة والبطارية الجافة من حيث:
1-   المادة المصنوع منها الأنود فى كل منهما.
2-   التفاعل الكلى الحادث.                                              
س:-  وضح ماذا يحدث عند وضع قطعة من الخارصين فى محلول كبريتات النحاس لفترة طويلة مع كتابة معادلة التفاعل




ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق