ما هي الخلايا الجلفانية؟

التعريف بالخلية الجلفانية

تُعرف الخلية الجلفانية (بالإنجليزية: Galvanic cell) بالخلية الكهروكيميائية أو الخلية الفولتية، وهي الخلية التي تحول الطاقة الكيميائية لتفاعلات الأكسدة والاختزال إلى طاقة كهربائية، وبكلمات أخرى تستخدم الخلية الجلفانية مبدأ انتقال الإلكترونات في تفاعلات الأكسدة والاختزال لإنتاج تيار كهربائي، حيث تفقد الذرات أو الجزيئات الإلكترونات في تفاعل الأكسدة، وتكسب الذرات أو الجزيئات الإلكترونات في تفاعل الاختزال، وتسبب حركة الإلكترونات بين الذرات المتأكسدة والمختزلة نشوء تيار كهربائي.^[١][٢][٣]

أجزاء الخلية الجلفانية

تتكون الخلية الجلفانية من الأجزاء الآتية:^[١]

• المصعد أو الأنود (Anode): وهو القطب الذي يحدث به تفاعل الأكسدة.
• المهبط أو الكاثود (Cathode): وهو القطب الذي يحدث به تفاعل الاختزال.
• قنطرة ملحية أو الجسر الملحي (Salted bridge): وهو أنبوب على شكل حرف U، يحتوي إلكتروليتات مطلوبة لإكمال الدائرة في خلية كلفانية.
• نصف خلية: وهو قطب الخلية الجلفانية، والذي يستخدم لفصل تفاعل الأكسدة عن تفاعل الاختزال.
• الدائرة الخارجية: وهي دائرة كهربائية تتكون من أسلاك وحمل كهربائي؛ توفر مسارًا لتدفق الإلكترونات بين الأقطاب الكهربائية.
• الحمل الكهربائي: وهو جزء من الدائرة الكهربائية؛ يستخدم في الخلايا الجلفانية للاستدلال على التيار الكهربائي الناتج من الخلية، فإما أن يكون مصباحًا أو جهاز قياس الجهد الكهربائي (الفولتميتر) لقياس الجهد.

آلية عمل الخلية الجلفانية

تتكون الخلية الجلفانية من وعائين (أنصاف الخلية) يحتوي الأول على قطب المصعد المغمور في محلول ملحي من نفس نوع مادة المصعد، بحيث تميل ذرات قطب المصعد إلى فقدان الإلكترونات (تفاعل الأكسدة)، مما يشحن القطب بشحنة سالبة، ويحتوي الوعاء الآخر على قطب المهبط المغمور في محلول ملحي من نفس نوع مادة المهبط، بحيث تميل ذرات قطب المهبط إلى اكتساب الإلكترونات (تفاعل الاختزال)، مما يشحن القطب بشحنة موجبة، وبهذا ينشأ فرق جهد بين القطبين يسمى بفرق جهد الخلية مسببًا انتقال الإلكترونات التي تم فقدها في قطب المصعد عبر الأسلاك الكهربائية إلى قطب المهبط مكونة التيار الكهربائي، حيث يُوضع عادةً بين قطبي المصعد والمهبط مصباح أو جهاز قياس الجهد الكهربائي (الفولتميتر) لقياس الجهد.^[١][٢]

ولكن بعد مضي فترة زمنية ستبدأ حركة الإلكترونات من المصعد إلى المهبط في التباطؤ، وبعدها سيصل التفاعل إلى حالة اتزان كهربائي، تُوقف سريان التيار، لذلك يستخدم في الخلايا الجلفانية ما يسمى بالجسر الملحي أو القنطرة الملحية، وهي أنبوب على شكل حرف U تتكون من الإلكتروليت؛ تنتقل أيوناته السالبة إلى نصف خلية المصعد، وأيوناته الموجبة إلى نصف خلية المهبط، وذلك للحفاظ سريان التيار الكهربائي دون اختلاط المحلولين.^[١][٢]

مثال على الخلية الجلفانية

تعتبر خلية دانيال من أشهر الأمثلة على الخلايا الجلفانية التي تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، حيث يُصنع قطب المصعد من الزنك (Zn) ويُوضع في وعاء (نصف خلية) يحتوي على محلول كبريتات الزنك، ويُصنع قطب المهبط من النحاس (Cu)، ويُوضع في وعاء (نصف خلية) يحتوي على محلول كبريتات النحاس، وتبدأ تفاعلات الخلية الجلفانية بتفاعل الأكسدة عند المصعد المكون من الزنك بحيث يفقد إلكترونين اثنين، يستقبلهما المهبط المصنوع من النحاس في تفاعل الاختزال عبر الأسلاك الكهربائية، ويُكتب كل من تفاعل الأكسدة والاختزال بالصيغ الكيميائية الآتية:^[١][٢]

تفاعل الأكسدة عند المصعد: -Zn → Zn+2 + 2e.

تفاعل الاختزال عند المهبط: Cu+2 + 2e- → Cu.