خلية جلفانية هي جهاز كهروكيميائي ينتج تيارًا كهربائيًا من خلال تفاعلات أكسدة واختزال كيميائية. تتكون الخلية الجلفانية من نصفي خليتين، كل منهما تحتوي على قطب معدني مختلف. يسمى القطب الذي يفقد الإلكترونات المهبط، بينما يسمى القطب الذي يكتسب الإلكترونات المصعد.
تفاعل الأكسدة هو تفاعل يفقد فيه ذرة أو جزيء إلكترونًا أو أكثر. تفاعل الاختزال هو تفاعل يكتسب فيه ذرة أو جزيء إلكترونًا أو أكثر.
عندما يتم توصيل نصفي الخلية ببعضها البعض بواسطة موصل، يتم إنشاء دائرة كهربائية. يمر التيار الكهربائي عبر الدائرة من المهبط إلى المصعد، حاملاً الطاقة الكهربائية التي تم إنشاؤها بواسطة التفاعلات الكيميائية.
مثال على خلية جلفانية هو خلية دانيال، والتي تتكون من قطب من الزنك ومحلول من حمض الكبريتيك، وقطب من النحاس ومحلول من نترات النحاس. في هذه الخلية، يفقد الزنك إلكترونًا إلى حمض الكبريتيك، ويتحول إلى أيون زنك. يكتسب النحاس إلكترونًا من نترات النحاس، ويتحول إلى ذرة نحاس.
تنتج خلايا جلفانية التي يتم توصيل نصفيها ببعضها البعض في عبوة واحدة بطارية. البطارية عبارة عن مجموعة من الخلايا الجلفانية متصلة في سلسلة.
يمكن استخدام الخلايا الجلفانية والبطاريات لتشغيل الأجهزة الإلكترونية، مثل الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية والمصابيح الكهربائية. يمكن أيضًا استخدامها لبدء تشغيل السيارات وتشغيل المعدات الطبية.
فيما يلي شرح موسع لكيفية عمل الخلية الجلفانية:
المهبط
في المهبط، يفقد ذرة أو جزيء إلكترونًا أو أكثر. يُطلق على الإلكترونات التي يتم فقدانها تيارًا سالبًا. ينتقل التيار السالب عبر الدائرة الكهربائية إلى المصعد.
في خلية دانيال، يفقد الزنك إلكترونًا إلى حمض الكبريتيك. يتحول الزنك إلى أيون زنك، ويبقى الإلكترون في المهبط.
المصعد
في المصعد، يكتسب ذرة أو جزيء إلكترونًا أو أكثر. يُطلق على الإلكترونات التي يتم اكتسابها تيارًا موجبًا. ينتقل التيار الموجب عبر الدائرة الكهربائية إلى المهبط.
في خلية دانيال، يكتسب النحاس إلكترونًا من نترات النحاس. يتحول النحاس إلى ذرة نحاس، ويبقى الإلكترون في المصعد.
التفاعل الكيميائي الكلي
في الخلية الجلفانية، يتم إجراء تفاعل كيميائي كامل يتضمن كل من الأكسدة والاختزال. في خلية دانيال، يكون التفاعل الكيميائي الكلي كما يلي:
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
في هذا التفاعل، يفقد الزنك إلكترونًا إلى حمض الكبريتيك، ويتحول إلى أيون زنك. يكتسب النحاس إلكترونًا من نترات النحاس، ويتحول إلى ذرة نحاس.
الجهد الكهربائي
يُعرف الفرق في الجهد الكهربائي بين المهبط والمصعد باسم الجهد الكهربائي. يُقاس الجهد الكهربائي باستخدام مقياس جهد.
في خلية دانيال، يكون الجهد الكهربائي حوالي 1.1 فولت.
القوة الدافعة الكهربائية
تُعرف القوة التي تدفع الإلكترونات عبر الدائرة الكهربائية باسم القوة الدافعة الكهربائية. تُقاس القوة الدافعة الكهربائية باستخدام مقياس جهد.
في خلية دانيال، تكون القوة الدافعة الكهربائية هي نفسها الجهد الكهربائي.
العمر الافتراضي
تستمر الخلايا الجلفانية والبطاريات لفترة محدودة من الزمن. عندما يتم استنفاد المواد الكيميائية في الخلية، تتوقف عن إنتاج التيار الكهربائي.
يمكن إطالة عمر الخلايا الجلفانية والبطاريات عن طريق تخزينها في مكان بارد وجاف.
