المولد الفولتائي

كانت الخلية الفولتية أول بطارية كهربائية قادرة على توفير تيار كهربائي مستمر لدائرة كهربائية. ^{[ 1 ]} اخترعها الكيميائي الإيطالي أليساندرو فولتا ، الذي نشر تجاربه عام 1799. ^{[ 2 ]} يُعزى اختراعها إلى جدال بين فولتا ولويجي جالفاني ، العالم الإيطالي الذي أجرى تجارب على أرجل الضفادع. ^{[ 3 ]} مكّن استخدام الخلية الفولتية من سلسلة سريعة من الاكتشافات الأخرى، بما في ذلك التحليل الكهربائي للماء إلى أكسجين وهيدروجين على يد ويليام نيكلسون وأنتوني كارلايل ( 1800 )، واكتشاف أو عزل العناصر الكيميائية الصوديوم (1807)، والبوتاسيوم (1807)، والكالسيوم (1808 )، والبورون ( 1808)، والباريوم ( 1808)، والسترونتيوم (1808)، والمغنيسيوم (1808) على يد همفري ديفي . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

كانت صناعة الكهرباء بأكملها في القرن التاسع عشر تعمل بالبطاريات المرتبطة ببطاريات فولتا (مثل خلية دانييل وخلية غروف ) حتى ظهور الدينامو ( المولد الكهربائي) في سبعينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 6 ]}

استند اختراع فولتا إلى اكتشاف لويجي غالفاني في ثمانينيات القرن الثامن عشر، والذي مفاده أن دائرة كهربائية مكونة من معدنين وساق ضفدع يمكن أن تُحدث استجابة في ساق الضفدع. ^{[ 1 ]} أثبت فولتا في عام 1794 أنه عند ترتيب معدنين مع قطعة قماش أو كرتون مشبع بمحلول ملحي في دائرة كهربائية، فإنهما يُنتجان تيارًا كهربائيًا. وفي عام 1800، قام فولتا بتكديس عدة أزواج من أقراص النحاس (أو الفضة ) والزنك المتناوبة ( أقطاب كهربائية ) مفصولة بقطعة قماش أو كرتون مشبعة بمحلول ملحي، مما زاد من القوة الدافعة الكهربائية الكلية. ^{[ 7 ] [ 8 ]} عند توصيل الموصلين العلوي والسفلي بسلك، تدفق تيار كهربائي عبر مجموعة الفولتية والسلك الموصل. كانت هذه أول بطارية "حقيقية" تُصدر شحنة مستمرة. ^{[ 9 ]}

تُحفظ العديد من الأدوات العلمية التي كانت تخص أليساندرو فولتا في متحف التاريخ الجامعي بجامعة بافيا ، حيث درّس فولتا من عام 1778 إلى عام 1819؛ وللأسف، فإن الأدوات المعروضة ليست أصلية، حيث أن تلك المحفوظة في بافيا أُعيرت بمناسبة الذكرى المئوية للاختراع وفُقدت لاحقًا في حريق. ^{[ 10 ]}

في 20 مارس 1800، كتب أليساندرو فولتا إلى الجمعية الملكية في لندن يصف تقنية إنتاج التيار الكهربائي باستخدام جهازه. ^{[ 11 ]} عند علمهما بالعمود الفولتائي، استخدمه ويليام نيكلسون وأنتوني كارلايل لاكتشاف التحليل الكهربائي للماء. بيّن همفري ديفي أن القوة الدافعة الكهربائية ، التي تدفع التيار الكهربائي عبر دائرة تحتوي على خلية فولتائية واحدة، ناتجة عن تفاعل كيميائي، وليس عن فرق الجهد بين المعدنين. كما استخدم العمود الفولتائي لتحليل المواد الكيميائية وإنتاج مواد كيميائية جديدة. أظهر ويليام هايد ولاستون أن الكهرباء المولدة من الأعمدة الفولتية لها تأثيرات مماثلة لتلك الناتجة عن الكهرباء المولدة بالاحتكاك . في عام 1802، استخدم فاسيلي بيتروف الأعمدة الفولتية في اكتشاف ودراسة تأثيرات القوس الكهربائي .

كان همفري ديفي وأندرو كروس من أوائل من طوروا أعمدة الفولتية الكبيرة. ^{[ 12 ]} استخدم ديفي عمودًا مكونًا من 2000 زوجًا، صُنع للمؤسسة الملكية عام 1808، لإثبات تفريغ قوس الكربون ^{[ 13 ]} وعزل خمسة عناصر جديدة: الباريوم، والكالسيوم، والبورون، والسترونتيوم، والمغنيسيوم. ^{[ 14 ]}

لأن فولتا كان يعتقد أن القوة الدافعة الكهربائية تنشأ عند نقطة التلامس بين المعدنين، فقد كان تصميم أعمدة فولتا مختلفًا عن التصميم الحديث الموضح في هذه الصفحة. احتوت أعمدة فولتا على قرص إضافي من النحاس في الأعلى، متصل بالزنك، وقرص إضافي من الزنك في الأسفل، متصل بالنحاس. ^{[ 15 ]} وبناءً على عمل فولتا وعمل معلمه همفري ديفي في الكهرومغناطيسية ، استخدم مايكل فاراداي كلاً من المغناطيس والعمود الفولتائي في تجاربه على الكهرباء. كان فاراداي يعتقد أن جميع أنواع الكهرباء التي كانت تُدرس آنذاك (الفولتية، والمغناطيسية، والحرارية، والحيوانية) هي نوع واحد. وقد دفعه سعيه لإثبات هذه النظرية إلى اقتراح قانونين للكيمياء الكهربائية يتعارضان تعارضًا مباشرًا مع المعتقدات العلمية السائدة في ذلك الوقت، والتي وضعها فولتا قبل ثلاثين عامًا. ^{[ 16 ]} ونظرًا لإسهاماتهما في فهم هذا المجال، يُعتبر كل من فاراداي وفولتا من رواد الكيمياء الكهربائية . ^{[ 17 ]} إن كلمتي "إلكترود" و"إلكتروليت"، المستخدمتين أعلاه لوصف عمل فولتا، تعودان إلى فاراداي. ^{[ 18 ]}

تُقاس قوة الخلية الكهروكيميائية بقوتها الدافعة الكهربائية (emf)، والتي تُقاس بالفولت. افترضت نظرية أليساندرو فولتا للتوتر السطحي أن القوة الدافعة الكهربائية، التي تُحرك التيار الكهربائي عبر دائرة تحتوي على خلية فولطية، تنشأ عند نقطة التلامس بين المعدنين. لم يُعر فولتا أهميةً تُذكر للإلكتروليت، الذي كان عادةً محلولًا ملحيًا في تجاربه. مع ذلك، سرعان ما أدرك الكيميائيون أن الماء الموجود في الإلكتروليت يُشارك في التفاعلات الكيميائية للخلية، مما يؤدي إلى انطلاق غاز الهيدروجين من قطب النحاس أو الفضة. ^{[ 4 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

يُمكن فهم الخلية الحديثة ذات الأقطاب الكهربائية المصنوعة من الزنك والنحاس، والمفصولة بمحلول إلكتروليتي، على النحو التالي: عندما تُمرر الخلية تيارًا كهربائيًا عبر دائرة خارجية، يتأكسد الزنك المعدني الموجود على سطح مصعد الزنك ويذوب في المحلول الإلكتروليتي على شكل أيونات مشحونة كهربائيًا (Zn²⁺ ^{) ، تاركًا} إلكترونين سالبين الشحنة ( e⁻ ^).) خلف المعدن:

المصعد (الأكسدة): Zn ^⇌ Zn²⁺ + ² e⁻    

يُطلق على هذا التفاعل اسم الأكسدة . أثناء دخول الزنك إلى الإلكتروليت، يستقبل أيونان من الهيدروجين الموجب الشحنة (H ⁺ ) من الإلكتروليت إلكترونين على سطح الكاثود النحاسي، ويختزلان ويشكلان جزيء هيدروجين غير مشحون (H2 ₎ :

الكاثود (الاختزال): 2 H ⁺ + 2 e ⁻    H ₂

يُسمى هذا التفاعل بالاختزال . وتُستمد الإلكترونات من النحاس لتكوين جزيئات الهيدروجين بواسطة سلك أو دائرة خارجية تربطه بالزنك. وتتبخر جزيئات الهيدروجين المتكونة على سطح النحاس بفعل تفاعل الاختزال في النهاية على شكل غاز الهيدروجين.

يُلاحظ أن التفاعل الكهروكيميائي الكلي لا يتضمن مباشرةً الزوج الكهروكيميائي Cu²⁺ ^/ Cu (أكسدة/اختزال) الموافق لمهبط النحاس. وبالتالي، فإن قرص النحاس المعدني يعمل هنا فقط كموصل معدني نبيل "خامل كيميائيًا" لنقل الإلكترونات في الدائرة، ولا يشارك كيميائيًا في التفاعل في الطور المائي. يعمل النحاس كمحفز لتفاعل إنتاج الهيدروجين ، والذي يمكن أن يحدث بنفس الكفاءة (وإن كان بمعدل أبطأ في غياب المحفز) مباشرةً عند قطب الزنك دون مرور تيار عبر الدائرة الخارجية. يمكن استبدال قطب النحاس في النظام بأي موصل معدني نبيل/خامل ونشط تحفيزيًا بدرجة كافية (مثل الفضة، البلاتين، الفولاذ المقاوم للصدأ، الجرافيت، ...). يمكن كتابة التفاعل الكلي على النحو التالي:

^Zn + 2H ^→ Zn²⁺ + _H₂    

ويمكن توضيح ذلك بشكل مفيد باستخدام تدوين السلسلة الكهروكيميائية:

(المصعد: الأكسدة) Zn | Zn ²⁺ || 2H ⁺ | H ₂ | Cu (المهبط: الاختزال)

حيث يمثل كل خط عمودي سطحًا فاصلًا. ويمثل الخط العمودي المزدوج الأسطح الفاصلة التي تتشربها أقراص الكرتون المسامية بالإلكتروليت.

عندما لا يُسحب تيار من الكومة، تُولّد كل خلية، المكونة من الزنك/الإلكتروليت/النحاس، جهدًا مقداره 0.76 فولت باستخدام محلول ملحي. تتجمع جهود الخلايا في الكومة، لذا تُولّد الخلايا الست في الرسم التخطيطي أعلاه قوة دافعة كهربائية مقدارها 4.56 فولت.

تم اختراع عدد من الركائز الجافة عالية الجهد بين عامي 1800 و1830 في محاولة لتحديد مصدر الكهرباء في الركيزة الفولتية الرطبة، وتحديدًا لدعم فرضية فولتا حول التوتر السطحي. في الواقع، أجرى فولتا نفسه تجربة على ركيزة جفت أقراصها الكرتونية، على الأرجح عن طريق الخطأ.

كان يوهان فيلهلم ريتر أول من نشر اكتشافه لركيزة جافة تولد تيارًا كهربائيًا عام 1802، وإن كان ذلك في مجلة غير معروفة؛ وعلى مدى العقد التالي، أُعلن عن هذا الاكتشاف مرارًا وتكرارًا باعتباره اكتشافًا جديدًا. ومن أنواع الركائز الجافة ركيزة زامبوني . وكان فرانسيس رونالدز عام 1814 من أوائل من أدركوا أن الركائز الجافة تعمل أيضًا من خلال التفاعل الكيميائي بدلًا من التلامس المباشر بين المعادن، على الرغم من أن التآكل لم يكن مرئيًا بسبب التيارات الكهربائية الضئيلة جدًا المتولدة. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

يمكن الإشارة إلى الكومة الجافة على أنها سلف الخلية الجافة الحديثة .

• قائمة أنواع البطاريات
• بطارية الماء المالح
• بطارية ليثيوم أيون مائية
• جهد فولت
• جرة ليدن

• "دليل استخدام الأعمدة الفولتية" . المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية. مؤرشف من الأصل بتاريخ 5 يناير 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يونيو 2008 .
• " البطارية الفولتية" مؤرشفة بتاريخ 12 أكتوبر 2023 على موقع Wayback Machine . الكهرباء. Kenyon.edu.
• لويس، نانسي د.، " أليساندرو فولتا، كومة فولتا، مؤرشفة في 28-08-2008 في آلة Wayback ".
• لويس، نانسي د.، " همفري ديفي الكيمياء الكهربائية مؤرشفة 2008-07-25 في آلة Wayback ".