المناهج الدراسية
تسجيل الدخول

المناهج الدراسية

الكيمياء

الباب الأول - العناصر الانتقالية

0/51

الباب الثاني - التحليل الكيميائي

0/35

الباب الثالث - الاتزان الكيميائي

0/34

الباب الرابع - الكيمياء الكهربية

0/44

الباب الخامس - الكيمياء العضوية

0/89

دروس إضافية

0/166
نص الدرس

الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ

الكيمياء

الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ

مقدمة

مقدمة

  • تصنيف الخلايا الجلفانية إلى أولية وثانوية وكتابة تفاعلات خلية الزئبق وخلية الوقود وبطارية الرصاص الحامضية وبطارية أيون الليثيوم.
  • تفسير تآكل المعادن وصدأ الحديد بميكانيكية الخلية الجلفانية والعوامل المؤثرة فيه.
  • التعرف على طرق وقاية الحديد من الصدأ الطلاء والحماية الكاثودية والحماية الأنودية والقطب المضحي.

🌳 شجرة المفاهيم

الدرس الثاني←البطاريات وتآكل المعادن والصدأ

├── الخلايا الجلفانية وإنتاج الطاقة الكهربية

├── الخلايا الأولية

│ ├── المفهوم

│ ├── (أ) خلية الزئبق

│ └── (ب) خلية الوقود

├── الخلايا الثانوية

│ ├── المفهوم

│ └── مقارنة بين الخلايا الأولية والثانوية

├── بطارية الرصاص الحامضية (مركم الرصاص)

│ ├── التعريف والتركيب

│ ├── (1) تفاعل التفريغ

│ ├── (2) الكشف عن حالة البطارية

│ └── (3) تفاعل الشحن

├── بطارية أيون الليثيوم

│ ├── الاستخدامات

  • │ ├── لماذا الليثيوم؟

│ ├── التركيب

│ └── التفاعلات عند التفريغ

├── تآكل المعادن والصدأ

│ ├── أهمية الظاهرة

  • │ ├── لماذا يتآكل الفلز؟

│ ├── ميكانيكية صدأ الحديد

│ └── العوامل المؤدية إلى التآكل

└── طرق وقاية الحديد من الصدأ
├── أولًاعزل الحديد عن الوسط المحيط بتغطيته
├── ثانيًاالحماية الكاثودية (الغطاء الكاثودي)
├── ثالثًاالحماية الأنودية (الغطاء الأنودي)
├── رابعًاالقطب المضحي

└── مقارنة بين الحماية الكاثودية والأنودية

الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 1 / 19
الخلايا الجلفانية وإنتاج الطاقة الكهربية

الخلايا الجلفانية وإنتاج الطاقة الكهربية

  • تقسم الخلايا الجلفانية تبعًا لطبيعة عملها في إنتاج الطاقة الكهربية إلى: خلايا أولية وخلايا ثانوية.
  • جميعها أنظمة تنتج الطاقة الكهربية من خلال تفاعلات أكسدة واختزال.
شكل 7: مخطط خلية دانيال الجلفانية والأنود والكاثود والقنطرة الملحية
شكل 7: مخطط خلية دانيال الجلفانية والأنود والكاثود والقنطرة الملحية
  • في خلية دانيال يُغمر لوح خارصين في محلول كبريتات الخارصين ليمثل الأنود، ويُغمر لوح نحاس في محلول كبريتات النحاس ليمثل الكاثود.
  • تسري الإلكترونات في السلك الخارجي من الخارصين إلى النحاس، بينما تتحرك أيونات الكبريتات السالبة عبر القنطرة الملحية نحو نصف خلية الخارصين لتعادل الشحنة الموجبة المتراكمة فيه.
  • يُكتب رمز الخلية Zn(s) | Zn2+(1M) || Cu2+(1M) | Cu(s)، وقيمة القوة الدافعة القياسية لها +1.10 V.
  • القنطرة الملحية أنبوبة على شكل حرف U مملوءة بمحلول إلكتروليتي لا يتفاعل مع محلولي نصفي الخلية، مثل كبريتات الصوديوم، وتعمل على إتمام الدائرة الكهربية.
  • ويتوقف التيار إذا ذاب لوح الخارصين كلياً أو نفدت أيونات النحاس من محلول الكاثود، أو إذا رُفعت القنطرة من نصفي الخلية.
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 2 / 19
الخلايا الأولية

الخلايا الأولية

المفهوم

  • أنظمة تخزن الطاقة في صورة كيميائية تتحول عند اللزوم إلى طاقة كهربية، من خلال تفاعل أكسدة واختزال تلقائي غير انعكاسي.
  • تتوقف الخلية عن العمل عندما تستهلك مادة الأنود أو تنضب أيونات نصف خلية الكاثود.
  • يصعب (عمليًا أو اقتصاديًا) بل قد يستحيل إعادة شحنها، أي إعادة مكوناتها إلى الحالة الأصلية، فهي خلايا غير انعكاسية.
  • لتسهيل استخدامها خصوصًا في الأجهزة المحمولة تصنع في صورة جافة (البطاريات الجافة)، وتحقق جهدًا ثابتًا أثناء التشغيل وتصنع بأحجام صغيرة.
  • تصنع في شكل أسطواني أو على هيئة قرص، وتتميز بصغر حجمها.
  • تشيع في سماعات الأذن والساعات والآلات الخاصة بالتصوير.
  • القطب السالب (الأنود) الخارصين، القطب الموجب (الكاثود): أكسيد الزئبق، الإلكتروليت: هيدروكسيد البوتاسيوم، والخلية مغلقة بإحكام.
  • التفاعل الكلي Zn(s) + HgO(s) → ZnO(s) + Hg(l) يحدث أكسدة للخارصين واختزال لأيون الزئبق II.
  • القوة الدافعة الكهربية E°cell = 1.35 V.
  • يجب التخلص منها بعد الاستخدام بطريقة آمنة لأنها تحتوي على الزئبق وهو مادة سامة.
  • الهيدروجين يحترق في الهواء بعنف وينتج ضوءًا وحرارة 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(v) + طاقة.
  • تمكن العلماء من إجراء هذا التفاعل في ظروف يتحكم فيها داخل ما يعرف بخلية الوقود.
  • تلقى اهتمامًا كبيرًا في مركبات الفضاء لأن الوقود الغازي (الهيدروجين والأكسجين) المستخدم في إطلاق الصواريخ هو نفسه المستخدم في هذه الخلايا.
  • تتركب من قطبين، كل منهما على هيئة وعاء مجوف مبطن بطبقة من الكربون المسامي تسمح بالاتصال بين الحجرة الداخلية والمحلول الإلكتروليتي (غالبًا محلول هيدروكسيد البوتاسيوم المائي).
  • تفاعل الأكسدة (الأنود)

    2H2(g) + 4OH–(aq) → 4H2O(v) + 4e– (E° = 0.83 V)

  • تفاعل الاختزال (الكاثود)

    O2(g) + 2H2O(v) + 4e– → 4OH–(aq) (E° = 0.4 V)

  • التفاعل الكلي

    2H2(g) + O2(g) → 2H2O(v) (E°cell = 1.23 V)

  • خلية الوقود لا تستهلك كباقي الخلايا الجلفانية لأنها تزود بالوقود من مصدر خارجي.
  • تعمل عند درجة حرارة عالية فيتبخر الماء الناتج، ويمكن إعادة تكثيفه للاستفادة منه كمياه للشرب لرواد الفضاء.
  • بعكس البطاريات الأخرى لا تختزن الطاقة، لأن عملها يتطلب إمدادًا مستمرًا بالوقود وإزالة مستمرة للنواتج.
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 3 / 19
الخلايا الثانوية

الخلايا الثانوية

المفهوم

  • خلايا جلفانية تتميز بأن تفاعلاتها الكيميائية انعكاسية.
  • تختزن الطاقة الكهربية في هيئة طاقة كيميائية يمكن تحويلها مرة أخرى إلى طاقة كهربية عند اللزوم.
  • يمكن إعادة شحنها بإمرار تيار كهربي من مصدر خارجي بين قطبيها في اتجاه عكس عملية التفريغ.
شكل 1: الخلايا الأولية والثانوية يقارن الجدول بين الخلايا الأولية التي تكون تفاعلاتها غير انعكاسية ولا يمكن إعادة شحنها عمليًا، والخلايا الثانوية التي تُعاد شحنها بإمرار تيار كهربي عكسي من مصدر خارجي. ويوضح الجدول أمثلة كل نوع، وهو أساس فهم الفرق بين البطاريات القابلة للشحن وغيرها.
شكل 1: الخلايا الأولية والثانوية يقارن الجدول بين الخلايا الأولية التي تكون تفاعلاتها غير انعكاسية ولا يمكن إعادة شحنها عمليًا، والخلايا الثانوية التي تُعاد شحنها بإمرار تيار كهربي عكسي من مصدر خارجي. ويوضح الجدول أمثلة كل نوع، وهو أساس فهم الفرق بين البطاريات القابلة للشحن وغيرها.
وجه المقارنة الخلايا الأولية الخلايا الثانوية
التفاعل غير انعكاسي انعكاسي
إعادة الشحن يصعب أو يستحيل ممكنة
الأمثلة خلية الزئبق، البطارية الجافة بطارية الرصاص الحامضية، بطارية أيون الليثيوم
عملها تتوقف عند استهلاك مواد الأقطاب تعمل كجلفانية عند التفريغ وكإلكتروليتية عند الشحن
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 4 / 19
بطارية الرصاص الحامضية (مركم الرصاص)

بطارية الرصاص الحامضية (مركم الرصاص)

  • شكل 2 مركم الرصاص — بطارية الرصاص الحامضية (مركم الرصاص)
  • تبيّن الصورة مركم الرصاص المستخدم في السيارات، ويتكون من ست خلايا متصلة على التوالي تُنتج كل منها نحو 2 فولت، فيكون الجهد الكلي 12 فولت.
  • وتتكون الأقطاب من شبكة رصاص مملوءة بالرصاص الإسفنجي للأنود، ومن شبكة مملوءة بثاني أكسيد الرصاص للكاثود، ويغمرها محلول حمض الكبريتيك.
مركم الرصاص — بطارية الرصاص الحامضية (مركم الرصاص)
مركم الرصاص — بطارية الرصاص الحامضية (مركم الرصاص)

التعريف والتركيب

  • أنسب أنواع البطاريات المستخدمة في السيارات (تعرف ببطارية السيارة).
  • تتكون غالبًا من ست خلايا موصلة على التوالي، تنتج كل خلية

    E°cell = 2 V

    ، فتكون القوة الدافعة للبطارية 2 × 6 = 12 V.
  • يمكن تصنيع بطاريات أكبر حجمًا تحتوي على أكثر من ست خلايا.
  • الأنود (المصعد) شبكة من الرصاص مملوءة برصاص إسفنجي Pb.
  • الكاثود (المهبط) شبكة من الرصاص مملوءة بعجينة من ثاني أكسيد الرصاص PbO₂.
  • تفصل الألواح عن بعضها بصفائح عازلة، وتغمر في محلول حمض الكبريتيك المخفف (الإلكتروليت).
  • توضع في وعاء من المطاط الصلب أو البلاستيك (بولي ستيرين) لا يتأثر بالأحماض.
  • تعمل كخلية جلفانية أثناء التفريغ، وكخلية إلكتروليتية عند إعادة الشحن.
(1) تفاعل التفريغ
الأنود (أكسدة)

Pb(s) + SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2e– (E° = 0.36 V)

الكاثود (اختزال)

PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq) + 2e– → PbSO4(s) + 2H2O(l) (E° = 1.69 V)

التفاعل الكلي

Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2SO42-(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O(l) (E°cell = 2.05 V)

القوة الدافعة للخلية الواحدة0.36 + 1.69 = 2.05 V (وتقرب إلى 2 V).

(2) الكشف عن حالة البطارية

  • تعرف حالة البطارية بقياس كثافة محلول الحمض بالهيدروميتر (مقياس الكثافة للسوائل).
  • عند كمال الشحن تكون كثافة الحمض نحو 1.28 – 1.3 g/cm3.
  • إذا قلت الكثافة عن 1.28 g/cm3 فهذا يعني أن البطارية تحتاج إلى إعادة الشحن.
  • سبب الانخفاض أثناء الاستعمال يخف تركيز حمض الكبريتيك لزيادة كمية الماء الناتج من التفاعل. تتحول مواد الكاثود PbO₂ ومواد الأنود Pb إلى كبريتات الرصاص II فتنقص كمية التيار المستمد منها.

(3) تفاعل الشحن

  • يتم بتوصيل قطبي البطارية بمصدر للتيار الكهربي المستمر له جهد أكبر قليلًا من جهد البطارية.
  • يحدث تفاعل عكس التفاعل التلقائي أثناء التفريغ تتحول كبريتات الرصاص II إلى رصاص عند الأنود (الكاثود أثناء الشحن) وإلى ثاني أكسيد الرصاص عند الكاثود (الأنود أثناء الشحن)، ويعود تركيز الحمض إلى ما كان عليه: 2PbSO₄(s) + 2H₂O(l) → Pb(s) + PbO₂(s) + 4H+(aq) + 2SO₄2−(aq) (بمرور تيار من مصدر خارجي)
  • تعمل البطارية أثناء الشحن كخلية إلكتروليتية يحدث فيها تفاعل غير تلقائي بمرور تيار كهربي، أي تخزين الطاقة الكهربية الواردة في صورة طاقة كيميائية.
  • لذلك اعتبرت الخلايا الثانوية (المراكم) بطاريات تخزين الطاقة، وفي السيارة يستخدم الدينامو باستمرار في إعادة شحن البطارية أولًا بأول.
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 5 / 19
بطارية أيون الليثيوم

بطارية أيون الليثيوم

شكل 3: بطارية أيون الليثيوم — بطارية أيون الليثيوم توضح الصورة بطارية أيون الليثيوم القابلة لإعادة الشحن، وتُستخدم في الهواتف والحاسبات المحمولة. ويرجع اختيار الليثيوم إلى خفة وزنه وصغر جهد اختزاله القياسي، فيتكون الأنود من جرافيت الليثيوم LiC₆ والكاثود من أكسيد الليثيوم والكوبلت LiCoO₂.
شكل 3: بطارية أيون الليثيوم — بطارية أيون الليثيوم توضح الصورة بطارية أيون الليثيوم القابلة لإعادة الشحن، وتُستخدم في الهواتف والحاسبات المحمولة. ويرجع اختيار الليثيوم إلى خفة وزنه وصغر جهد اختزاله القياسي، فيتكون الأنود من جرافيت الليثيوم LiC₆ والكاثود من أكسيد الليثيوم والكوبلت LiCoO₂.

الاستخدامات

  • بطارية جافة قابلة لإعادة الشحن تستخدم في الهاتف المحمول والحاسب المحمول.
  • تستخدم أيضًا في بعض السيارات الحديثة بديلًا لمركم الرصاص لخفة وزنها وقدرتها على تخزين كميات كبيرة من الطاقة بالنسبة لحجمها.

لماذا الليثيوم؟

لسببين←أنه أخف فلز معروف، وأن جهد اختزاله القياسي هو الأصغر بين الفلزات (نحو −3.04 V).

التركيب

  • يحتوي الغلاف المعدني على ثلاثة رقائق ملفوفة بشكل حلزوني الأنود (السالب): جرافيت الليثيوم LiC₆. الكاثود (الموجب): أكسيد الليثيوم كوبلت (LiCoO2 / CoO2). العازل: شريحة رقيقة جدًا من البلاستيك تعزل القطبين وتسمح بمرور الأيونات دون الإلكترونات.
  • تغمر الرقائق الثلاث في إلكتروليت لا مائي من سداسي فلوروفوسفيد الليثيوم LiPF₆.

التفاعلات عند التفريغ

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
الأنودLiC₆(s) → C₆(s) + Li+(aq) + e−LiC₆
الكاثودCoO₂(s) + Li+(aq) + e− → LiCoO₂(s)CoO₂LiCoO₂
التفاعل الكليLiC₆(s) + CoO₂(s) ⇌ C₆(s) + LiCoO₂(s) (إلى اليمين تفريغ وإلى اليسار شحن)LiC₆CoO₂LiCoO₂اليمين
القوة الدافعةE°cell = 3 Vcell
•
  • عند التفريغ تنتقل أيونات الليثيوم داخل البطارية عبر الإلكتروليت من الأنود إلى الكاثود
  • وتتحرك الإلكترونات في الدائرة الخارجية
  • وعند الشحن يحدث العكس
التفريغتنتقلأيوناتالليثيوم
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 6 / 19
تآكل المعادن والصدأ

تآكل المعادن والصدأ

أهمية الظاهرة

  • يتسبب تآكل المعادن في خسائر اقتصادية فادحة تؤدي إلى تدهور المنشآت المعدنية خاصة الحديدية منها.
  • يقدر الحديد المفقود نتيجة التآكل بحوالي ربع إنتاج العالم منه سنويًا.
  • التآكل تآكل كيميائي للفلزات بفعل الوسط المحيط، ويسمى في الحديد الصدأ.
  • في معظم الأحوال يكون تآكل الفلزات النقية صعبًا، فحتى الحديد لا يصدأ بسهولة إذا كان نقيًا جدًا.
  • معظم المعادن الصناعية تحتوي على شوائب تنشط عملية التآكل.
  • ملامسة فلز أقل نشاطًا لفلز آخر أكثر نشاطًا تسبب زيادة تآكل الفلز النشط في الوسط.
  • إذًا يحدث التآكل عن طريق تكون خلايا جلفانية يكون أنودها الفلز المتآكل وكاثودها الفلز الأقل نشاطًا أو الكربون الموجود في صورة شوائب (وهذا سبب تآكل الصلب).
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
•عند تعرض قطعة حديد للتشقق أو الكسر تكون خلية جلفانية مع الماء المذاب فيه بعض الأيونات (الإلكتروليت)تعرضقطعةحديدللتشقق
الأنود
  • قطعة الحديد
  • وتتأكسد: 2Fe(s) → 2Fe2+(aq) + 4e−
قطعةالحديدوتتأكسد2Fe2
•
  • تنتقل الإلكترونات خلال قطعة الحديد إلى الكاثود الذي تمثله شوائب الكربون الموجودة في الحديد
  • أي أن قطعة الحديد تقوم بدور الأنود والدائرة الخارجية
تنتقلالإلكتروناتخلالقطعة
الكاثوديختزل أكسجين الهواء إلى أيونات هيدروكسيد: 2H₂O(l) + O₂(g) + 4e− → 4OH−(aq)يختزلأكسجينالهواءأيونات
التفاعل التاليتتحد أيونات الحديد II مع الهيدروكسيد فتكون هيدروكسيد الحديد II: 2Fe2+(aq) + 4OH−(aq) → 2Fe(OH)₂(s)تتحدأيوناتالحديدالهيدروكسيد
الأكسدة النهائيةيتأكسد هيدروكسيد الحديد II بالأكسجين الذائب في الماء إلى هيدروكسيد الحديد III (الصدأ): 4Fe(OH)₂(s) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4Fe(OH)₃(s)يتأكسدهيدروكسيدالحديدبالأكسجين
المعادلة الكلية4Fe(s) + 6H₂O(l) + 3O₂(g) → 4Fe(OH)₃(s)6H₂O
•
  • الصدأ عملية بطيئة لأن الماء يحتوي على كميات محدودة من الأيونات
  • ويتم بسرعة أكبر إذا احتوى الماء على أيونات أكثر كما في ماء البحار
الصدأعمليةبطيئةالماء

العوامل المؤدية إلى التآكل

أولًا: عوامل تتعلق بالفلز نفسه

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
عدم تجانس السبائك
  • الفلزات المستخدمة في الصناعة غالبًا سبائك يصعب تحضيرها متجانسة التركيب
  • فينشأ عدد لا نهائي من الخلايا الموضعية تسبب تآكل الفلز الأنشط
الفلزاتالمستخدمةالصناعةغالب
اتصال الفلزات ببعضهاعند لحام فلزين أو استخدام مسامير برشام من فلز مختلف تتكون خلايا جلفانية موضعية تسبب تآكل الفلز الأنشط. عند تلامس الألومنيوم والنحاس يتآكل الألومنيوم أولًا. عند تلامس الحديد والنحاس يتآكل الحديد أولًالحامفلزيناستخداممسامير
  • الماء والأكسجين والأملاح من العوامل التي تؤثر بشكل أساسي في تآكل المعادن.
شكل 4: كيف يصدأ الحديد
شكل 4: كيف يصدأ الحديد
  • في معظم الأحوال يكون تآكل الفلزات النقية صعبًا، فحتى الحديد لا يصدأ بسهولة إذا كان نقيًا جدًا.
  • لذلك يصدأ الحديد المطلي بالقصدير عند حدوث خدش فيه أكثر وأسرع من الحديد غير المطلي.
شكل 8: ميكانيكية تآكل الحديد وتكوين صدأ الحديد (الخلية الجلفانية الموضعية)
شكل 8: ميكانيكية تآكل الحديد وتكوين صدأ الحديد (الخلية الجلفانية الموضعية)
شكل 8←ميكانيكية تآكل الحديد وتكوين صدأ الحديد (الخلية الجلفانية الموضعية): تآكل المعادن والصدأ
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 7 / 19
طرق وقاية الحديد من الصدأ

طرق وقاية الحديد من الصدأ

  1. المحافظة على المنشآت المعدنية وحمايتها من الصدأ
  2. وبالأخص الحديد
  3. من أساسيات حماية الاقتصاد الوطني.
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 8 / 19
أولًا: عزل الحديد عن الوسط المحيط بتغطيته

أولًا: عزل الحديد عن الوسط المحيط بتغطيته

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
الطلاء بالمواد العضويةكالزيت أو الورنيش أو الدهان: طريقة غير مجدية على المدى البعيدكالزيتالورنيشالدهانطريقة
التغطية بالفلزات المقاومة للتآكلجلفنة الصلب بغمسه في الخارصين المنصهر. يستخدم الماغنسيوم في وقاية الصلب المستخدم في صناعة السفن. يستخدم القصدير في وقاية الحديد المستخدم في علب الأغذية المعدنيةجلفنةالصلببغمسهالخارصين
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 9 / 19
ثانيًا: الحماية الكاثودية (الغطاء الكاثودي)

ثانيًا: الحماية الكاثودية (الغطاء الكاثودي)

  • إذا كان الفلز الواقي أقل نشاطًا (مثل القصدير) من الفلز الأصلي (مثل الحديد) تتكون خلية جلفانية يكون فيها الحديد (الأنشط) هو الأنود والقصدير هو الكاثود، فيتآكل الحديد.
  • لذلك يصدأ الحديد المطلي بالقصدير عند حدوث خدش فيه أكثر وأسرع من الحديد غير المطلي.

    توضح الصورة آلية تآكل الحديد في الخلية الجلفانية الموضعية، إذ يكون الحديد الأنشط هو الأنود فيتأكسد، بينما يُختزل الأكسجين الذائب عند الكاثود. وتفسر الصورة أيضًا سرعة صدأ الحديد المطلي بالقصدير عند الخدش، لأن الحديد يصبح أنودًا ويتآكل أسرع من الحديد غير المطلي.

الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 10 / 19
ثالثًا: الحماية الأنودية (الغطاء الأنودي)

ثالثًا: الحماية الأنودية (الغطاء الأنودي)

أثر الخدش في طلاء الحديد بالزنك والقصدير
أثر الخدش في طلاء الحديد بالزنك والقصدير
  • تغطية الفلز بفلز أكثر نشاطًا منه مثل طلاء الحديد بالخارصين (جلفنة الحديد).
    شكل 5: أثر الخدش في طلاء الحديد بالزنك والقصدير

    تقارن الصورة أثر الخدش في طلاء الحديد بالقصدير وبالزنك، فعند حدوث خدش في طلاء القصدير يصبح الحديد الأنشط أنودًا ويتآكل بسرعة. أما الطلاء بالزنك، وهو الأنشط من الحديد، فيظل يحمي الحديد عند الخدش لأنه هو الذي يتآكل أولًا، وهي فكرة الحماية الأنودية.

  • الخارصين يسبق الحديد في سلسلة الجهود فيكون هو الأنود في الخلية الجلفانية التي تنشأ، فيتآكل أولًا تمامًا قبل أن يبدأ الحديد في التآكل.
  • هذا يستغرق وقتًا طويلًا لأن تآكل الحديد يبدأ من سطحه.
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 11 / 19
رابعًا: القطب المضحي

رابعًا: القطب المضحي

  • هياكل السفن في اتصال دائم بالماء المالح، ومواسير الحديد المدفونة في التربة الرطبة، فهي أكثر عرضة للتآكل.
  • لحمايتها تجعل كاثودًا بتوصيلها بفلز آخر أكثر نشاطًا منها مثل الماغنسيوم الذي يعمل كأنود فيتآكل بدلًا من الحديد.
  • لذا يسمى الماغنسيوم القطب المضحي (توضع قطعة منه مدفوعة في التربة أو مثبتة على الهيكل).
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 12 / 19
مقارنة بين الحماية الكاثودية والأنودية

مقارنة بين الحماية الكاثودية والأنودية

وجه المقارنة الحماية الكاثودية (قصدير على حديد) الحماية الأنودية (خارصين على حديد)
نشاط الفلز الواقي أقل نشاطًا من الحديد أكثر نشاطًا من الحديد
الفلز المتآكل عند الخدش الحديد (الأنود) الخارصين (الأنود)
النتيجة يصدأ الحديد بسرعة أكبر عند الخدش يبقى الحديد محميًا حتى يتآكل الخارصين كله
  • .egp-ex{margin:18px 0;border:1px solid rgba(79,63,224,.2);border-radius:16px;overflow:hidden;background:#fff}.egp-ex-h{padding:10px 16px;font-weight:800;background:linear-gradient(90deg,#4f3fe0,#22c1c3);color:#fff}.egp-ex-tabs{display:flex;flex-wrap:wrap;gap:6px;padding:10px 12px;background:#f7f6ff}.egp-ex-b{border:1px solid rgba(79,63,224,.3);background:#fff;border-radius:20px;padding:5px 14px;font-weight:700;cursor:pointer}.egp-ex-b.on{background:#4f3fe0;color:#fff}.egp-ex-p{padding:12px 16px}function egpEx(b,k){var w=b.closest(‘.egp-ex’);w.querySelectorAll(‘.egp-ex-b’).forEach(function(x,i){x.classList.toggle(‘on’,i===k)});w.querySelectorAll(‘.egp-ex-p’).forEach(function(x,i){x.hidden=i!==k})}
  • 📖
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 13 / 19
📌 قاموس المفاهيم والمصطلحات العلمية الدقيقة:

📌 قاموس المفاهيم والمصطلحات العلمية الدقيقة:

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةمثالكلمات مفتاحية
الخلايا الجلفانية الأولية (Primary Cells)خلية الزئبق وخلية الوقود)تتحولفيهاالطاقةالكيميائية
الخلايا الجلفانية الثانوية (Secondary Batteries)مركم الرصاص وبطارية أيون الليثيوم)انعكاسيةتتحولفيهاالطاقة
مركم الرصاص الحامضي (Lead-Acid Battery)
  • بطارية السيارة
  • الأنود شبكة رصاص إسفنجي (Pb)
  • الكاثود شبكة رصاص مملوءة بعجينة ثاني أكسيد الرصاص (PbO₂)
  • والإلكتروليت حمض كبريتيك مخفف (H₂SO₄)
  • وقوتها الدافعة الكهربية للخلية الواحدة ~2.05 فولت (البطارية 6 خلايا = 12 فولت)
—بطاريةالسيارةالأنودشبكة
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةمثالكلمات مفتاحية
بطارية أيون الليثيوم (Lithium-ion Battery)
  • بطارية جافة حديثة خفيفة الوزن ذات كثافة طاقة هائلة
  • الأنود جرافيت الليثيوم (LiC₆)
  • الكاثود أكسيد الليثيوم كوبالت (LiCoO₂)
  • والإلكتروليت سداسي فلوروفوسفيد الليثيوم (LiPF₆) لا مائي
  • وجهدها 3 فولت
—جافةحديثةخفيفةالوزن
تآكل المعادن والصدأ (Corrosion / Rusting)
  • الحديد النقي الأنود
  • والشوائب (الكربون) الكاثود
  • وقطرات الماء المذاب فيها الأملاح والأكسجين الإلكتروليت
  • ويتكون صدأ الحديد الهيدراتي Fe₂O₃·xH₂O
عمليةكهروكيميائيةتلقائيةتتهدم
الحماية الأنودية والحماية الكاثودية (Cathodic vs Anodic Protection)
  • الحماية الأنودية (القطب المضحي): تغطية الفلز بفلز آخر أكثر منه نشاطاً وأعلى جهداً في الأكسدة (كالماغنسيوم أو الخارصين للحديد/الجلفنة)
  • الحماية الكاثودية: تغطية الفلز بفلز أقل منه نشاطاً (كالقصدير للحديد)
—القطبالمضحيتغطيةالفلز
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 14 / 19
⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة:

⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة:

(‘تفاعل تفريغ مركم الرصاص الكليPb(s) + PbO₂(s) + 2H₂SO₄(aq) ⇌ 2PbSO₄(s) + 2H₂O(l) [E°_cell = +2.05 V].’,)
(‘تفاعل تفريغ بطارية أيون الليثيوم الكليLiC₆ + CoO₂ ⇌ C₆ + LiCoO₂ [E°_cell = +3.00 V].’,)
(‘معادلة تكوين صدأ الحديد الهيدراتي2Fe(s) + 3/2 O₂(g) + 3H₂O(l) → 2Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·xH₂O (الصدأ).’,)
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 15 / 19
🔍 الشرح المستفيض والتعليلات العلمية المعتمدة (“علل”):

🔍 الشرح المستفيض والتعليلات العلمية المعتمدة (“علل”):

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
علل
  • تفضل بطارية أيون الليثيوم على مركم الرصاص في السيارات الكهربائية الحديثة والهواتف: لأن الليثيوم هو أخف فلز معروف (كتلته الذرية 6.94 g/mol)
  • وله أصغر جهد اختزال قياسي (-3.04 V)
  • مما يوفر أعلى طاقة كهربائية ممكنة لكل وحدة وزن
تفضلبطاريةأيونالليثيوم
علل
  • خلية الوقود لا تستهلك ولا تختزن الطاقة كباقي البطاريات: لأنها تُزوّد بالوقود الغازي (الهيدروجين والأكسجين) بصفة مستمرة من مصدر خارجي
  • وتُزال نواتج التفاعل (الماء النقي وبخار الماء) باستمرار دون أن تستهلك مكوناتها الداخلية
خليةالوقودتستهلكتختزن
علل
  • الحماية الأنودية للحديد أفضل وأكثر أماناً من الحماية الكاثودية: لأن في الحماية الأنودية (كالغطاء الخارصيني) عند حدوث خدش يتآكل الفلز المغطي الأكثر نشاطاً أولاً (الخارصين كقطب مضحي) ولا يمس الحديد بسوء حتى يتآكل الخارصين تماماً
  • بينما في الحماية الكاثودية (كالغطاء القصديري) عند حدوث خدش يتآكل الحديد بمعدل أسرع بكثير لأنه الأنود
الحمايةالأنوديةللحديدأفضل
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 16 / 19
📊 المقارنة الشاملة بين أشهر البطاريات الكهروكيميائية في منهج الثانوية العامة:

📊 المقارنة الشاملة بين أشهر البطاريات الكهروكيميائية في منهج الثانوية العامة:

نوع البطارية مادة الأنود (القطب السالب) مادة الكاثود (القطب الموجب) المحلول الإلكتروليتي القوة الدافعة الكهربية (E_cell)
خلية الزئبق (أولية) الخارصين (Zn) أكسيد الزئبق (HgO) مع الجرافيت هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) قلوي 1.35 فولت
خلية الوقود (أولية) وعاء مجوف مبطن بالكربون المسامي يمر به غاز H₂ وعاء كربون مسامي يمر به غاز O₂ محلول هيدروكسيد البوتاسيوم المائي (KOH) 1.23 فولت
مركم الرصاص (ثانوية) ألواح شبكية من الرصاص الإسفنجي (Pb) ألواح رصاص مملوءة بـ (PbO₂) حمض كبريتيك مخفف (H₂SO₄) حامضي 2.05 فولت لكل خلية (12V للبطارية)
أيون الليثيوم (ثانوية) جرافيت الليثيوم (LiC₆) أكسيد الليثيوم كوبالت (LiCoO₂) سداسي فلوروفوسفيد الليثيوم (LiPF₆) لامائي 3.00 فولت
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 17 / 19
💡 كبسولة الفنيات وتريكات الامتحانات والأسئلة الوزارية 2026/2027:

💡 كبسولة الفنيات وتريكات الامتحانات والأسئلة الوزارية 2026/2027:

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
تريك امتحاني في بطارية الرصاص
  • عند الشحن
  • يوصل القطب الموجب للبطارية بموجب المصدر الخارجي
  • ويوصل السالب بالسالب
  • بجهد أعلى قليلاً من 12 فولت
  • فيتحول كبريتات الرصاص الثنائي PbSO₄ عند الأنود لأكسيد رصاص وعند الكاثود لرصاص إسفنجي وتزداد كثافة الحمض
الشحنيوصلالقطبالموجب
سؤال وزاري مشهور
  • مقياس كثافة السوائل (الهيدروميتر) يستخدم لقياس كثافة حمض الكبريتيك
  • فإذا كانت الكثافة أقل من 1.20 g/cm3 دل ذلك على حاجة البطارية للشحن وتفريغ الشحنة
  • وعند الشحن التام تتراوح بين 1.28 و 1.30 g/cm3
مقياسكثافةالسوائلالهيدروميتر
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 18 / 19
🔬 مخططات ورسوم علمية تخصصية داعمة للفهم

🔬 مخططات ورسوم علمية تخصصية داعمة للفهم

  • نقدم في هذا القسم رسوماً ومخططات بيانية توضيحية معتمدة لتعميق الاستيعاب البصري وتثبيت المفاهيم العلمية الأساسية وفق أحدث النماذج التعليمية التفاعلية.
  • يوضح المخطط خلية دانيال، حيث يتأكسد الخارصين عند الأنود ويتجه إلكترونه عبر السلك الخارجي إلى مهبط النحاس حيث يحدث الاختزال.
  • وتغلق القنطرة الملحية الدائرة بانتقال الأيونات للحفاظ على التعادل الكهربي في المحلولين.
  • يبيّن الشكل آلية صدأ الحديد بتكوّن خلايا جلفانية موضعية على سطحه، إذ يتأكسد الحديد عند منطقة الأنود إلى أيونات الحديد الثنائي، بينما يُختزل الأكسجين عند منطقة الكاثود.
  • ثم تتفاعل أيونات الحديد الثنائي مع الأكسجين والماء مكوّنةً صدأ الحديد، وهو أكسيد الحديد III المائي.
  • يوضح الشكل خلية التحليل الكهربي، حيث تُستخدم طاقة كهربية خارجية لإجراء تفاعل أكسدة واختزال غير تلقائي، فيحدث الاختزال عند المهبط السالب والأكسدة عند المصعد الموجب.
  • وتُقارن هذه الخلية بالخلية الجلفانية التي تنتج الكهرباء من تفاعل تلقائي، وهي الفكرة الأساسية لفهم الطلاء الكهربي وتنقية الفلزات.
الدرس الثاني: البطاريات وتآكل المعادن والصدأ · 19 / 19