المفاهيم الرئيسية

الكيمياء

الكهرباء

البطارية

التفاعل الكيميائي

المقدمة

هل تساءلت يومًا كيف -على وجه التحديد- يعمل هاتفك أو حاسوبك المحمول أو مصباحك اليدوي دون الحاجة إلى توصيل أيٍّ منهم بمصدر للطاقة؟ من أين تأتي الطاقة الكهربية التي تجعل كل هذه الأجهزة المحمولة تعمل؟ ربما تعرف الإجابة: إنها كلها تعمل بالبطاريات. ولكن هل تعرف كيف تعمل هذه البطاريات؟ تخزن البطاريات الطاقة الكهربية في شكل طاقة كيميائية، وهو ما يعني أن التفاعلات الكهروكيميائية داخل البطاريات تولِّد الكهرباء. قد يبدو الأمر معقدًا ولكنه أبسط مما تعتقد! في هذا النشاط، ستقوم بعمل بطارية منزلية الصنع في صورتها الأولية، وذلك فقط باستخدام الورق المقوّى، والخل، والملح، وحفنة من العملات المعدنية، وأيضًا الحلقات المعدنية الخاصة بإحكام ربط الصواميل، وعندها ستتمكن من إثبات أن هذه البطارية تعمل عن طريق إضاءة دايود باعث للضوء (LED).

معلومات أساسية

تتمثل الكهرباء في وجود شحنة كهربية، ويمكن لهذه الشحنة أن تكون موجبة أو سالبة. ويتم توليد التيار الكهربي عن طريق حركة الشحنات، وذلك عادةً في شكل إلكترونات أو أيونات. وفي البطاريات تنشأ هذه الشحنات المتحركة من التفاعلات الكيميائية، بمعنى أن الطاقة الكهربية تُشتق من الطاقة الكيميائية. المكونات الرئيسية للبطارية عبارة عن قطبين كهربيين يتم تصنيعهما عادةً من الكربون أو من اثنين من المعادن المختلفة، وذلك بالإضافة إلى الكهرل أو الإلكتروليت، وهو عبارة عن سائل أو عجين يتلامس مع كلا القطبين. ويجب أن يكون القطبان الكهربيان والإلكتروليت من مواد موصلة للكهرباء، وذلك للسماح للإلكترونات والأيونات بالتدفق من أحد القطبين إلى القطب الآخر. السؤال الآن هو: من أين تأتي الإلكترونات؟ هنا يأتي دور الكيمياء.

تتولد الإلكترونات عن طريق تفاعلات الأخسدة الكهروكيميائية (أي الاختزال والأكسدة)، وفيها تنتقل الشحنات السالبة (على شكل إلكترونات) من مادة كيميائية (أو معدن) إلى أخرى. وتنتقل الإلكترونات والأيونات التي يتم إطلاقها في أثناء هذه التفاعلات عبر الإلكتروليت من أحد القطبين الكهربيين إلى الآخر. وخلال هذه العملية، يقوم أحد القطبين بإطلاق الإلكترونات، ويستقبلها القطب الآخر لإكمال الدائرة الكهربية. وهناك العديد من الأنواع المختلفة للبطاريات، والتي تَستخدِم تفاعلات كيميائية مختلفة لتوليد الإلكترونات. وهناك نوعان شائعا الاستخدام، هما بطارية أيونات الليثيوم وبطارية النيكل-الكادميوم. في هذا النشاط ستقوم بصنع بطارية من النحاس والزنك باستخدام محلول من الخل والملح يقوم بدور الإلكتروليت. هل تعتقد أن البطارية التي ستقوم بصنعها سوف تولِّد ما يكفي من الكهرباء لإضاءة الدايود الباعث للضوء (LED)؟

المواد المستخدمة

  • 20 حلقة معدنية مفلطحة (مجلفنة ولها قُطر العملات المعدنية نفسه).
  • 20 عملة نحاسية أو مطلية بالنحاس (ويُفضَّل أن تكون لامعة).
  • قلم رصاص
  • ورق مقوّى
  • مقص
  • وعاء
  • خل
  • ملح طعام
  • ملعقة
  • دايود صغير باعث للضوء (LED) لونه أبيض أو أحمر
  • مناديل ورقية
  • مساحة مخصصة لإجراء التجربة بحيث لا يسبب انسكاب الخل أي ضرر.
  • آلة حاسبة (اختياري).
  • رقائق ألومنيوم (اختياري).
  • جهاز للقياسات المتعددة (اختياري).

التحضير

ملحوظة: في هذا النشاط ستقوم بصنع بطارية ذات فولتية منخفضة جدًّا. وستكون كمية الكهرباء المتولِّدة من هذه البطارية المصنوعة في المنزل كمية آمنة. إن المستويات الأعلى من فولتية الكهرباء قد تكون خطيرة للغاية وقد تصل خطورتها لأن تكون مميتة، ولذا يجب عليك أن تمتنع تمامًا عن إجراء التجارب باستخدام البطاريات المتاحة تجاريًّا أو باستخدام مخارج الكهرباء الموجودة في الحوائط.

  • ضع العملة المعدنية على الورق المقوى وحدِّدها 20 مرة باستخدام القلم الرصاص.
  • قص كل القطع الورقية التي تم تحديدها لتكون بحجم العملة.
  • صُبّ بعض الخل في الوعاء، وأضف إليه كميةً كافيةً من الملح لتحصل على محلول مشبع (أي إلى الحد الذي يكون فيه بعض من الملح غير قابل للذوبان). عليك بتقليب المحلول باستخدام الملعقة.
  • ضع 15 قصاصة من قصاصات الورق المقوّى في الوعاء، واترك هذه القصاصات منقوعةً في محلول الخل والملح لخمس دقائق.

الطريقة

  • خذ حلقة معدنية واحدة وضعها في المساحة التي خصصتها للقيام بعملك. من أي معدن صُنعت الحلقة؟
  • خذ قطعة من الورق المقوّى المنقوع وضعها أعلى الحلقة المعدنية. لماذا -في رأيك- يجب نقع الورق المقوّى في محلول الخل والملح؟
  • بعدها ضع حلقة معدنية أخرى أعلى قطعة الورق المنقوع.
  • ضع حلقة معدنية أخرى أعلى تلك الحلقة. أضف قطعةً أخرى من الورق المقوّى المنقوع، ثم أضف حلقتين أخريين فوقها.
  • كرِّر وضع ورقة منقوعة مع حلقتين معدنيتين على نحو تبادلي حتى تصل إلى استخدام ٩ حلقات معدنية إجمالًا. يجب أن تنتهي بحلقتين معدنيتين فوق قطعة من الورق المنقوع.
  • جفِّف جوانب تجميعة الحلقات المعدنية باستخدام منشفة ورقية. يجب أن تتأكد من أن الجوانب جافة.
  • تأكد أيضًا من أن كل ورقة من الورق المنقوع متلامسة مع ما لا يزيد عن حلقة واحدة على كل جانب من جانبيها.
  • خذ الدايود الباعث للضوء وباعد بين طرفي التوصيل، ثم اغرس طرف التوصيل الطويل أسفل تجميعة الحلقات بحيث يتلامس بإحكام مع الحلقة المعدنية الموجودة فى الأسفل. بعدها ضع الطرف القصير أعلى الحلقة الموجودة في قمة التجميعة واضغط عليه نحو الأسفل. راقب الدايود الباعث للضوء. هل يضيء الدايود عند توصيل طرفيه بأعلى تجميعة الحلقات وأسفلها؟
  • اعمل تجميعة أخرى بالطريقة نفسها، ولكن هذه المرة باستخدام العملات بدلًا من الحلقات. من أي معدن صُنعت العملات؟
  • بمجرد اكتمال تجميعة العملات، جفِّف جوانبها، وتأكد من أن كل ورقة من الورق المنقوع تتلامس مع عملة واحدة فقط على كل جانب من جانبيها.
  • بعدها خذ الدايود مرةً أخرى، ووصِّل الطرف الطويل بالعملة الموجودة أسفل التجميعة والطرف القصير بالعملة الموجودة أعلاها. هل يضيء الدايود عند توصيل طرفيه بالعملات؟
  • اعمل تجميعة ثالثة، ولكن هذه المرة ابدأ بعملة في القاع، وضع قطعة من الورق المنقوع فوق العملة، ثم ضع حلقة معدنية فوق الورقة المنقوعة. كرِّر ذلك بإضافة عملة معدنية، ثم ورقة منقوعة، ثم حلقة معدنية وصولًا إلى استخدام خمس عملات معدنية في المجمل. يجب أن تنتهي التجميعة بعملة تعلو حلقة.
  • مرةً أخرى، تأكد من تجفيف أي سائل فائض من الورق المنقوع على جوانب تجميعة العملات والحلقات، وتأكد من أن كل ورقة منقوعة تتلامس مع حلقة واحدة أوعملة واحدة على كل جانب من جانبيها.
  • بعدها وصِّل الطرف الطويل للدايود بالعملة الموجودة أسفل التجميعة، وطرفه القصير بالحلقة الموجودة أعلى التجميعة. ماذا يحدث للدايود هذه المرة؟
  • أخيرًا، استخدم قطع الورق المقوى الجاف لتكوين تجميعة رابعة، وذلك بإضافة عملة ثم قطعة ورق جافة، ثم حلقة، ثم عملة، ثم قطعة ورق جافة، ثم حلقة، وصولًا إلى استخدام ما مجموعُه خمس عملات. هل تعتقد أن الورق المقوّى المنقوع أو الجاف يُحدث فارقًا؟
  • مرةً أخرى، خذ الدايود الضوئي ووصِّل طرفه الطويل بأسفل التجميعة وطرفه القصير بأعلاها. هل يضيء الدايود هذه المرة؟ لِمَ؟ أو لِمَ لا؟
  • نشاط إضافي: كم عدد العملات والحلقات التي تحتاجها لإضاءة الدايود؟ هل العدد عامل مهم؟ جرّب تقليل عدد العملات والحلقات التي ترصّها. ما الحد الأدنى لعدد العملات والحلقات التي تحتاجها لإضاءة الدايود؟
  • نشاط إضافي: ماذا يحدث اذا استَبْدَلتْ بالحلقات المعدنية مادةً أخرى كرقائق الألومنيوم؟ هل يمكنك حينها الحصول على بطارية تعمل على النحو المطلوب؟ قُص قطعًا من رقائق الألومنيوم بحجم العملات المعدنية، وكوِّن تجميعة من العملات وقطع الألومنيوم لتعرف الإجابة!
  • نشاط إضافي: إذا كان لديك جهاز للقياسات المتعددة في المنزل، يمكنك قياس فولتية بطاريتك وكَمّ التيار الذي تنتجه. كيف تصف التغيُّر في الفولتية والتيار عند إضافة المزيد من العملات إلى بطاريتك؟

المشاهدات والنتائج

هل تمكنت من إضاءة الدايود؟ ربما لا يكون هذا قد حدث من خلال التجميعتين الأُولَيين، واللتين اشتملتا إما على عملات فقط أو حلقات فقط. العملات المعدنية يتم طلاؤها بالنحاس، ولذا تعمل بمنزلة أحد القطبين الكهربيين في هذا النشاط. من ناحية أخرى، تتغلف الحلقات المعدنية المجلفنة بالزنك، والزنك معدن مختلف يعمل كقطب كهربي في بطاريتك. ويكمن سر الحصول على بطارية تعمل على النحو المطلوب في أن تفاعلًا كهروكيميائيًّا يجب أن يحدث بين القطبين الكهربيين. وإذا كان القطبان مُصَنَّعين من المادة نفسها، فلن يحدث أي تفاعل ولن يتم توليد الكهرباء.

عندما تضع العملات على نحوٍ تبادلي مع الحلقات، في هذه الحالة أنت تقوم بتصنيع بطارية ذات قطبين مختلفين، أحدهما من الزنك والآخر من النحاس. وفي هذه الحالة يمكن أن يحدث تفاعل كهروكيميائي بين الزنك والنحاس، وحينها ينتج عنه إطلاق لإلكترونات تنتقل عبر الإلكتروليت (الورق المقوّى المنقوع في الخل والملح)، فيتولَّد تيار كهربي. وهذا هو السبب في أن الدايود قد أضاء بواسطة التجميعة الثالثة التي كوَّنتها أنت من العملات والحلقات المرصوصة على نحوٍ تبادلي. وعندما أزلت الإلكتروليت واستخدمت قطعًا من الورق الجاف بدلًا منه، لم تعد الإلكترونات قادرةً على الانتقال من أحد القطبين إلى القطب الآخر، ولذا لم يتم إنتاج تيار كهربي، ولم يُضَأ الدايود!

تنظيف محيط التجربة

اشطف العملات والحلقات بماء الصنبور، ومن ثم جفِّفها. ويمكنك استخدامها بعد ذلك. تخلَّص من الورق المقوّى المنقوع، ونظف منطقة عملك.

تم تقديم هذا النشاط بالشراكة مع "ساينس باديز".