التحولات التلقائية في الأعمدة وتحصيل الطاقة

1) مقدّمة: التحولات التلقائية في الأعمدة وتحصيل الطاقة

تستعمل البطاريات (الأعمدة الغلفانية) في كل حياتنا اليومية: الهاتف، الحاسوب المحمول، السيارة، لعب الأطفال... هذه الأجهزة تعتمد على تحولات كيميائية تلقائية تحدث داخل العمود لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية يمكن استغلالها.

هدف الدرس

في هذا الدرس من برنامج 2 باك فيزياء–كيمياء، سوف:

نذكّر بمفهوم تفاعلات الأكسدة–الاختزال والثنائيات \((\mathrm{Ox}/\mathrm{Red})\).
نعرّف العمود الغلفاني ومفهوم المهبط والمصعد.
نربط بين التحول التلقائي داخل العمود وتوتره الكهربائي.
نستغل التوتر لاحتساب الطاقة الكهربائية المحصلة وقدرة العمود.
نربط بين التحول الكيميائي، الشحنة المتبادلة، والعمل الكهربائي والطاقة الكيميائية.

في الامتحان الوطني، ترد الأسئلة غالباً في شكل: تفسير عمل عمود معيّن، تحديد القطب السالب/الموجب، كتابة نصف التفاعلات، حساب التوتر، حساب الطاقة أو القدرة أو المردود.

2) تذكير بالأكسدة–الاختزال والثنائيات

1) ثنائية مؤكسد/مختزل

الثنائية \((\mathrm{Ox}/\mathrm{Red})\) هي زوج من النوعين الكيميائيين المرتبطين بتفاعل تبادل إلكترونات: \[ \mathrm{Ox + n\,e^- \rightleftharpoons Red} \]

2) أمثلة على ثنائيات مهمة في الأعمدة

الثنائية	نصف التفاعل	الدور في العمود
\((\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn})\)	\(\mathrm{Zn^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons Zn}\)	غالباً مختزل في الأقطاب المعدنية
\((\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu})\)	\(\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons Cu}\)	غالباً مؤكسد في عمود \(\mathrm{Zn/Cu}\)
\((\mathrm{Ag^+}/\mathrm{Ag})\)	\(\mathrm{Ag^+ + e^- \rightleftharpoons Ag}\)	مؤكسد قوي نسبياً

3) الأكسدة والاختزال

الأكسدة: فقدان إلكترونات من طرف نوع كيميائي (المختزل يعطي إلكترونات ويتحوّل إلى مؤكسد).
الاختزال: اكتساب إلكترونات من طرف نوع كيميائي (المؤكسد يلتقط إلكترونات ويتحوّل إلى مختزل).
في أي تفاعل أكسدة–اختزال، كمية الشحنة المتبادلة تكون نفسها في نصفي التفاعل.

3) تعريف العمود الغلفاني (العمود الكهروكيميائي)

1) ما هو العمود الغلفاني؟

العمود الغلفاني هو منظومة كهروكيميائية تحول طاقة التفاعل الكيميائي التلقائي (تفاعل أكسدة–اختزال) إلى طاقة كهربائية متاحة على شكل توتر بين قطبين.

تركيبه العام:

قطبان معدنيان أو موصلان (مثلاً: \(\mathrm{Zn}\) و\(\mathrm{Cu}\)).
محاليل أيونية لكل قطب (\(\mathrm{Zn^{2+}}\), \(\mathrm{Cu^{2+}}\) مثلاً).
موصل إلكتروني خارجي (سلك + جهاز استقبال: مصباح، مقاومة...).
جسر ملحي أو غشاء يسمح بمرور الأيونات وحفظ الحياد الكهربائي.

تركيب نوعي لعمود \(\mathrm{Zn/Cu}\).

2) المصعد والمهبط واتجاه الإلكترونات

المصعد (الأنود): القطب الذي تتم فيه الأكسدة (فقدان إلكترونات)؛ يكون غالباً القطب السالب للعمود الغلفاني.
المهبط (الكاثود): القطب الذي تتم فيه الاختزال (اكتساب إلكترونات)؛ يكون غالباً القطب الموجب للعمود الغلفاني.
الإلكترونات تسري دائماً في الدائرة الخارجية من المصعد إلى المهبط.

4) التحول التلقائي داخل العمود: مثال عمود \(\mathrm{Zn/Cu}\)

1) نصف التفاعلات والتفاعل الكلي

في عمود \(\mathrm{Zn/Cu}\) القياسي، لدينا ثنائيتان: \((\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn})\) و\((\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu})\). نصف التفاعلات في اتجاه العمود الغلفاني:

في قطب الزنك (مصعد): \(\mathrm{Zn \to Zn^{2+} + 2e^-}\) (أكسدة).
في قطب النحاس (مهبط): \(\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \to Cu}\) (اختزال).

بإضافة نصفي التفاعل نحصل على التفاعل الكلي: \[ \mathrm{Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu} \]

2) معنى «تحول تلقائي» في العمود

عندما نغلق الدائرة (نوصل القطبين بسلك وبجهاز استقبال)، فإن تفاعل الأكسدة–الاختزال: \[ \mathrm{Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu} \] يحدث تلقائياً، وتتحرك الإلكترونات في السلك من قطب الزنك نحو قطب النحاس. هذا يؤدي إلى ظهور:

توتر كهربائي بين القطبين.
تيار كهربائي في المستقبل (مصباح مثلاً).
تحويل جزء من الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية ثم إلى حرارة أو ضوء...

إذا استمر العمود في الاشتغال، فإن كميات المواد تتغيّر (يستهلك الزنك ويتكوّن \(\mathrm{Zn^{2+}}\)، تستهلك \(\mathrm{Cu^{2+}}\) ويترسّب النحاس)، إلى أن تضعف إمكانية استمرار التفاعل (تقل تركيزات المتفاعلات) فينخفض التوتر ويتوقف العمود عن العمل.

5) القوة المحركة الكهربائية للعمود وتطور التوتر

1) التوتر بين قطبي العمود

نرمز للتوتر بين قطبي العمود بالرمز \(\mathrm{U_{pile}}\)، ويعرَّف بالعلاقة:

\[ U_{\text{pile}} = V_+ - V_- \]

حيث \(V_+\) كمون القطب الموجب و\(V_-\) كمون القطب السالب.

2) القوة المحركة الكهربائية \(\mathrm{E}\)

في حالة عدم مرور تيار (دائرة مفتوحة)، يكون التوتر بين القطبين مساوياً تقريباً لما يسمّى القوة المحركة الكهربائية للعمود:

\[ E \approx U_{\text{pile}} \]

(حالة الدائرة المفتوحة).

3) إشارة \(\mathrm{U_{pile}}\) والتحول التلقائي

إذا كان \(\mathrm{U_{pile} > 0}\) وفق ترتيب القطبين المختار، فإن العمود قادر على تحريك التيار في المستقبل، والتحول الكيميائي يكون تلقائياً في الاتجاه المدروس.
إذا كان \(\mathrm{U_{pile} < 0}\) فهذا يعني أن العمود لا يشتغل في ذلك الاتجاه؛ يمكن إجباره على العمل عكسياً باستعمال مولد خارجي (حالة الشحن في البطاريات القابلة للشحن).

في مستوى 2 باك، يكفي غالباً التعامل مع \(\mathrm{E}\) كقيمة ثابتة تقريباً للعمود الجديد، ثم ملاحظة أن التوتر ينخفض عندما «تُستَهلك» المتفاعلات ويتقادم العمود.

6) تحصيل الطاقة من عمود غلفاني

1) الشحنة الكهربائية المتبادلة

عندما يسري تيار شدته \(\mathrm{I}\) خلال العمود خلال مدة \(\Delta t\)، فإن الشحنة الكهربائية التي تعبر مقطعاً من الدارة هي: \[ Q = I\,\Delta t \] بوحدة الكولوم \((\mathrm{C})\).

2) الطاقة الكهربائية المحصلة من العمود

إذا كان التوتر بين قطبي العمود \(\mathrm{U_{pile}}\) ويمر تيار شدته \(\mathrm{I}\) خلال مدة \(\Delta t\)، فإن العمل الكهربائي الذي يقدمه العمود للمستقبل (الطاقة الكهربائية المحولة) هو: \[ W_{\text{elec}} = U_{\text{pile}} \times I \times \Delta t \] بوحدة الجول \((\mathrm{J})\).

3) القدرة الكهربائية

القدرة التي يقدّمها العمود (أو يستقبلها مستقبل) هي: \[ P = U_{\text{pile}} \times I \] بوحدة الواط \((\mathrm{W})\).

4) مثال تطبيقي نوعي

عمود يعطي توتراً تقريبياً \(\mathrm{U_{pile} = 1{,}5\,V}\) ويغذي مصباحاً يمر فيه تيار \(\mathrm{I = 0{,}20\,A}\).

القدرة المقدمة: \[ P = 1{,}5 \times 0{,}20 = 0{,}30\,\mathrm{W}. \]
إذا اشتغل المصباح لمدة \(\Delta t = 600\,\mathrm{s}\) (10 دقائق): \[ W_{\text{elec}} = U I \Delta t = 1{,}5 \times 0{,}20 \times 600 = 180\,\mathrm{J}. \]

كلما كانت القيمة المطلقة للطاقة الكهربائية المحصلة أكبر، كان تحويل الطاقة الكيميائية داخل العمود أكثر أهمية. لكن هذه الطاقة محدودة بكمية المادة المتاحة وبالمردود الطاقي للعمود.

7) الربط بين التحول الكيميائي والشحنة المتبادلة (قانون فاراداي النوعي)

1) عدد الإلكترونات والشحنة

يربط قانون فاراداي بين كمية المادة المتحولة في تفاعل أكسدة–اختزال والشحنة الكهربائية المتبادلة:

شحنة إلكترون واحد: \(e \approx 1{,}6\times 10^{-19}\,\mathrm{C}\).
ثابت فاراداي: \[ F = N_A e \approx 9{,}65\times 10^{4}\,\mathrm{C\cdot mol^{-1}} \] حيث \(N_A\) عدد أفوغادرو.

2) علاقة كمية المادة بالشحنة

إذا كان التفاعل يتضمّن تبادل \(n\) إلكترونات لكل مول من المادة، فإن الشحنة المتبادلة عند تحوّل كمية مادة \(\xi\) (تقدم) هي تقريباً: \[ Q = n F \xi \] (هذه الصيغة تُستغل بشكل نوعي في الباك، وقد تعطى قيم رقمية عند الحاجة).

في تمارين الباك، قد يُطلب منك فقط الربط النوعي: كلما زادت كمية المادة المتحولة (تقدم التفاعل)، زادت الشحنة المتبادلة والطاقة الكهربائية الممكن تحصيلها.

8) تمارين تطبيقية (10) مع حلول مفصّلة

تمرين 1 — تحديد المصعد والمهبط واتجاه الإلكترونات

نعتبر عموداً غلفانياً تركيبُه:

قطب من الزنك في محلول \(\mathrm{Zn^{2+}}\).
قطب من النحاس في محلول \(\mathrm{Cu^{2+}}\).

عند غلق الدائرة على مصباح، لوحظ اشتعال المصباح.

1) أكتب نصف التفاعلات الممكنة في كل قطب.
2) حدّد أي القطبين هو المصعد وأيهما المهبط في العمل الغلفاني.
3) حدّد اتجاه انتقال الإلكترونات في السلك الخارجي.

1) الثنائيتان: \((\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn})\) و \((\mathrm{Cu^{2+}}/\mathrm{Cu})\).

نصف تفاعل الزنك: \(\mathrm{Zn \rightleftharpoons Zn^{2+} + 2e^-}\).
نصف تفاعل النحاس: \(\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons Cu}\).

في العمود الغلفاني، يحدث تلقائياً:

أكسدة الزنك: \(\mathrm{Zn \to Zn^{2+} + 2e^-}\).
اختزال النحاس: \(\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \to Cu}\).

2) إذن:

قطب الزنك: مصعد (أنود) حيث تتم الأكسدة.
قطب النحاس: مهبط (كاثود) حيث تتم الاختزال.

3) الإلكترونات الناتجة عن أكسدة الزنك تنتقل في السلك الخارجي من قطب الزنك نحو قطب النحاس.

تمرين 2 — التفاعل الكلي في العمود

باستغلال النتيجة السابقة، أكتب التفاعل الكيميائي الكلي الذي يحصل في عمود \(\mathrm{Zn/Cu}\) في اتجاه العمل الغلفاني، وبيّن أنه تفاعل أكسدة–اختزال.

نصف التفاعلات في الاتجاه الغلفاني:

\(\mathrm{Zn \to Zn^{2+} + 2e^-}\) (أكسدة في المصعد).
\(\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \to Cu}\) (اختزال في المهبط).

بإضافة نصفي التفاعل (وحذف الإلكترونات بما أن عددها متساوٍ في النصفيْن) نحصل على: \[ \mathrm{Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu} \]

يظهر أن الزنك فقد إلكترونات (أكسدة) وأن \(\mathrm{Cu^{2+}}\) اكتسب نفس الإلكترونات (اختزال)، إذن التفاعل الكلي هو تفاعل أكسدة–اختزال.

تمرين 3 — اتجاه التطور التلقائي في عمودين محتملين

نملك ثنائيتين: \((\mathrm{Fe^{3+}}/\mathrm{Fe^{2+}})\) و\((\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn})\).

1) أكتب نصف التفاعلات العامة لكل ثنائية.
2) اقترح تفاعلاً كلياً لتفاعل أكسدة–اختزال يمكن أن يحدث تلقائياً بين هاتين الثنائيتين في عمود غلفاني (لا يُطلب حساب \(\mathrm{E^\circ}\)، يكفي تفسير نوعي يعتمد على معرفة أن \(\mathrm{Fe^{3+}}\) مؤكسد أقوى من \(\mathrm{Zn^{2+}}\)).
3) حدّد أي الأنواع يلعب دور المؤكسد وأيها المختزل.

1) نصف التفاعلات العامة:

\((\mathrm{Fe^{3+}}/\mathrm{Fe^{2+}})\): \(\mathrm{Fe^{3+} + e^- \rightleftharpoons Fe^{2+}}\).
\((\mathrm{Zn^{2+}}/\mathrm{Zn})\): \(\mathrm{Zn^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons Zn}\).

2) بما أن \(\mathrm{Fe^{3+}}\) مؤكسد أقوى، فمن المنطقي أن يُختزل: \(\mathrm{Fe^{3+} \to Fe^{2+}}\)، والزنك هو المختزل الذي يتأكسد: \(\mathrm{Zn \to Zn^{2+}}\).

نكتب نصفي التفاعل في الاتجاه الغلفاني:

أكسدة الزنك: \(\mathrm{Zn \to Zn^{2+} + 2e^-}\).
اختزال الحديد (نضرب نصف التفاعل في 2 لتعديل عدد الإلكترونات): \[ \mathrm{2\,Fe^{3+} + 2e^- \to 2\,Fe^{2+}}. \]

بإضافتهما: \[ \mathrm{Zn + 2Fe^{3+} \to Zn^{2+} + 2Fe^{2+}}. \]

3) إذن:

\(\mathrm{Fe^{3+}}\): مؤكسد (يُختزل إلى \(\mathrm{Fe^{2+}}\)).
\(\mathrm{Zn}\): مختزل (يتأكسد إلى \(\mathrm{Zn^{2+}}\)).

تمرين 4 — الطاقة الكهربائية المحصلة من عمود

عمود غلفاني يعطي توتراً ثابتاً تقريباً \(\mathrm{U_{pile} = 4{,}5\,V}\) ويغذي محركاً يمر فيه تيار شدته \(\mathrm{I = 0{,}30\,A}\).

1) احسب القدرة الكهربائية التي يقدمها العمود للمحرك.
2) إذا اشتغل المحرك بهذا العمود لمدة \(\Delta t = 20\,\mathrm{min}\)، احسب الطاقة الكهربائية المتحولة.
3) عبّر عن هذه الطاقة بالكيلوواط ساعة (مع العلم أن \(1\,\mathrm{kWh} = 3{,}6\times 10^6\,\mathrm{J}\)).

1) القدرة: \[ P = U I = 4{,}5 \times 0{,}30 = 1{,}35\,\mathrm{W}. \]

2) المدة بالدقائق: \(\Delta t = 20\,\mathrm{min} = 20\times 60 = 1200\,\mathrm{s}\). الطاقة: \[ W = U I \Delta t = 4{,}5 \times 0{,}30 \times 1200 = 1620\,\mathrm{J}. \]

3) للتحويل إلى \(\mathrm{kWh}\): \[ E(\mathrm{kWh}) = \dfrac{W}{3{,}6\times 10^6} = \dfrac{1620}{3{,}6\times 10^6} \approx 4{,}5\times 10^{-4}\,\mathrm{kWh}. \]

تمرين 5 — الشحنة المتبادلة وعلاقتها بكمية المادة

في عمود بسيط، يتم تبادل إلكترونات وفق نصف التفاعل: \[ \mathrm{M^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons M}. \]

1) إذا تحولت كمية مادة \(\xi = 5{,}0\times 10^{-3}\,\mathrm{mol}\) من \(\mathrm{M^{2+}}\) إلى \(\mathrm{M}\)، ما عدد المولات من الإلكترونات المتبادلة؟
2) باستعمال ثابت فاراداي \(F \approx 9{,}65\times 10^{4}\,\mathrm{C\cdot mol^{-1}}\)، احسب الشحنة المتبادلة \(Q\).
3) إذا استمر التحول خلال مدة \(\Delta t = 600\,\mathrm{s}\)، احسب شدة التيار المتوسطة \(\mathrm{I}\).

1) من نصف التفاعل، كل مول واحد من \(\mathrm{M^{2+}}\) يحتاج إلى \(2\,\mathrm{mol}\) من الإلكترونات. إذن: \[ n(e^-) = 2\,\xi = 2\times 5{,}0\times 10^{-3} = 1{,}0\times 10^{-2}\,\mathrm{mol}. \]

2) الشحنة المتبادلة: \[ Q = n(e^-) F = 1{,}0\times 10^{-2} \times 9{,}65\times 10^{4} = 9{,}65\times 10^{2}\,\mathrm{C} \approx 965\,\mathrm{C}. \]

3) شدة التيار المتوسطة: \[ I = \dfrac{Q}{\Delta t} = \dfrac{965}{600} \approx 1{,}61\,\mathrm{A}. \]

تمرين 6 — تطور التوتر مع الزمن

يبيّن الجدول التالي قياسات تقريبية للتوتر \(\mathrm{U_{pile}}\) لعمود جديد يغذّي مقاومة ثابتة مع الزمن (العمود يشتغل بدون انقطاع):

الزمن (h)	0	1	2	3	4
\(\mathrm{U_{pile}}\) (V)	1{,}50	1{,}48	1{,}42	1{,}30	1{,}05

1) علّق على تطور التوتر مع الزمن.
2) ماذا يحدث كيميائياً داخل العمود ليفسر هذا التطور؟
3) ماذا نتوقع أن يحدث إذا واصلنا تشغيل العمود مدة أطول؟

1) نلاحظ أن التوتر \(\mathrm{U_{pile}}\) ينقص تدريجياً مع الزمن: العمود يعطي في البداية \(1{,}50\,\mathrm{V}\) ثم يضعف حتى يصبح \(1{,}05\,\mathrm{V}\) بعد 4 ساعات.

2) تفسير كيميائي: مع مرور الزمن، تُستهلك المتفاعلات (مثلاً معدن الزنك وأيونات \(\mathrm{Cu^{2+}}\) في عمود من نوع \(\mathrm{Zn/Cu}\))، وتزداد تراكيز النواتج (\(\mathrm{Zn^{2+}}\)، \(\mathrm{Cu}\) الصلب...). هذا التغيّر في تراكيز الأنواع يقرّب المجموعة من حالة توازن، فينخفض الحافز الحراري والكهركيميائي، وبالتالي ينقص التوتر.

3) إذا استمر تشغيل العمود، سيصل إلى مرحلة تصبح فيها التراكيز قريبة من حالة التوازن الكيميائي، وينخفض التوتر إلى قيمة صغيرة جداً لا تكفي لتغذية المستقبل، فنقول إن العمود أصبح «فارغاً» أو «منتهياً».

تمرين 7 — مقارنة أعمدة من حيث الطاقة المحصلة

لدينا عمودان مختلفان يغذيان نفس نوع المصباح (نفس المقاومة):

العمود (A): \(\mathrm{U_A = 1{,}5\,V}\), \(\mathrm{I_A = 0{,}25\,A}\).
العمود (B): \(\mathrm{U_B = 9{,}0\,V}\), \(\mathrm{I_B = 0{,}05\,A}\).

1) احسب القدرة المقدمة من كل عمود.
2) إذا استعملنا كلاً من العمودين لمدة \(\Delta t = 30\,\mathrm{min}\)، احسب الطاقة الكهربائية المقدمة من كل منهما.
3) أي العمودين يقدّم أكبر طاقة خلال هذه المدة؟

1) القدرة:

العمود (A): \[ P_A = U_A I_A = 1{,}5 \times 0{,}25 = 0{,}375\,\mathrm{W}. \]
العمود (B): \[ P_B = U_B I_B = 9{,}0 \times 0{,}05 = 0{,}45\,\mathrm{W}. \]

2) المدة: \(\Delta t = 30\,\mathrm{min} = 1800\,\mathrm{s}\).

\[ W_A = P_A \Delta t = 0{,}375 \times 1800 = 675\,\mathrm{J}. \]
\[ W_B = P_B \Delta t = 0{,}45 \times 1800 = 810\,\mathrm{J}. \]

3) العمود (B) يعطي قدرة أكبر ويقدّم طاقة كهربائية أكبر خلال نفس المدة (\(810\,\mathrm{J}\)) مقارنة بالعمود (A) (\(675\,\mathrm{J}\)).

تمرين 8 — تطور تلقائي أم مفروض (بطارية قابلة للشحن)

في البطاريات القابلة للشحن:

عند الاستعمال العادي (تفريغ البطارية) تعمل كعمود غلفاني.
عند الشحن، تُربط بمولد خارجي أقوى.

1) صف نوع التطور في مرحلة التفريغ (استعمال الهاتف مثلاً).
2) صف نوع التطور في مرحلة الشحن، وهل هو تلقائي أم مفروض؟
3) لماذا يعتبر الشحن عكساً للتحول التلقائي في البطارية؟

1) في مرحلة التفريغ، تعمل البطارية كعمود غلفاني: تفاعل الأكسدة–الاختزال داخلها يكون تلقائياً، ويحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية لتغذية الهاتف.

2) في مرحلة الشحن، نطبق توتراً خارجياً أكبر في الاتجاه المعاكس، فنجبر التفاعل على السير عكس اتجاهه الطبيعي (المفضّل) ⇒ هذا التطور غير تلقائي ومفروض بواسطة مولد موصول بالشاحن.

3) أثناء الشحن، يتم إرجاع النواتج إلى متفاعلات (تخزين الطاقة من جديد في الروابط الكيميائية)، وهو عكس ما يحدث تلقائياً في التفريغ حيث تستهلك المتفاعلات لتعطي نواتج وطاقة كهربائية.

تمرين 9 — قراءة مخطط طاقي مبسط لعمود

يوضح الشكل الطاقي التالي (نوعي) تحول طاقة في عمود:

مخطط نوعي لتحويل الطاقة في عمود أثناء الاستعمال.

اشرح، انطلاقاً من هذا الشكل، ماذا يحدث للطاقة الكيميائية المخزنة في العمود أثناء تشغيله، واذكر نوعي الطاقة الرئيسيين في المستقبل والضياعات.

يظهر المخطط أن مستوى الطاقة الكيميائية المخزنة في العمود أعلى في البداية. أثناء الاشتغال، ينخفض هذا المخزون لأن التفاعل الكيميائي يستهلك المتفاعلات.

جزء من هذه الطاقة يتحوّل إلى طاقة كهربائية يستقبلها الجهاز (مصباح، محرك...). هذه الطاقة تُستهلك في شكل ضوء، حركة أو غيرها حسب نوع المستقبل.

جزء آخر من الطاقة يتحوّل إلى طاقة حرارية (ضياعات) بسبب مقاومة الموصلات الداخلية والخارجية وعدم مثالية التحويل. لذلك لا تكون كل الطاقة الكيميائية المخزنة مسترجَعة على شكل طاقة كهربائية مفيدة.

تمرين 10 — سؤال مقالي: التحولات التلقائية في الأعمدة وتحصيل الطاقة

اكتب فقرة منظمة (6–8 أسطر) تتحدث فيها عن: مفهوم التحول التلقائي في عمود غلفاني، وكيف يسمح هذا التحول بتحصيل الطاقة الكهربائية، مع ربط ذلك بتفاعلات الأكسدة–الاختزال وبمفهوم القدرة والطاقة.

في العمود الغلفاني، تتحول طاقة التفاعل الكيميائي التلقائي (تفاعل أكسدة–اختزال بين ثنائيات \((\mathrm{Ox}/\mathrm{Red})\)) إلى طاقة كهربائية على شكل توتر بين قطبين. عند غلق الدائرة، يسري التيار ويحدث التحول التلقائي داخل العمود، حيث يتأكسد نوع كيميائي في المصعد ويُختزل نوع آخر في المهبط، فتنتقل الإلكترونات عبر السلك الخارجي.

التوتر \(\mathrm{U_{pile}}\) مع شدة التيار \(\mathrm{I}\) يحدد القدرة الكهربائية \(\mathrm{P = U_{pile} I}\) والطاقة المحصلة \(\mathrm{W = U_{pile} I \Delta t}\) خلال مدة معينة. جزء من الطاقة الكيميائية المخزنة في المتفاعلات يتحول إلى طاقة كهربائية مفيدة في المستقبل (ضوء، حركة...) وجزء منها يضيع على شكل حرارة. مع استمرار التحول التلقائي، تُستهلك المتفاعلات وينخفض التوتر حتى تفقد البطارية قدرتها على تزويد المستقبل بالطاقة.

9) خلاصة مركّزة للباك — التحولات التلقائية في الأعمدة وتحصيل الطاقة

الأعمدة الغلفانية تعتمد على تفاعلات أكسدة–اختزال تلقائية بين ثنائيات \((\mathrm{Ox}/\mathrm{Red})\)، حيث تتم الأكسدة في المصعد والاختزال في المهبط.
التحول التلقائي داخل العمود يولّد توترًا كهربائيًا بين القطبين، يسمح بمرور تيار في المستقبل وتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
التوتر في الدائرة المفتوحة يمثّل تقريباً القوة المحركة الكهربائية للعمود؛ عند مرور التيار ينقص التوتر تدريجياً مع تقادم العمود واستهلاك المتفاعلات.
الطاقة الكهربائية المحصلة من العمود خلال مدة \(\Delta t\) هي \(\mathrm{W = U_{pile} I \Delta t}\)، والقدرة هي \(\mathrm{P = U_{pile} I}\).
قانون فاراداي يربط بين كمية المادة المتحولة والشحنة المتبادلة \(\mathrm{Q = n F \xi}\)، ما يوضح أن الطاقة المحصلة محدودة بكمية المتفاعلات المتاحة.
في البطاريات القابلة للشحن، التفريغ تحول تلقائي يعطي طاقة، بينما الشحن تحول غير تلقائي مفروض بواسطة مولد خارجي، يعيد النواتج إلى متفاعلات ويخزن الطاقة من جديد.