📄 النص الكامل للصفحة
--- SECTION: مهن في الكيمياء ---
اختصاصي الطاقة البديلة
إذا كنت ترغب في اختراع أشياء جديدة وجعلها تعمل فقد تكون مهتمًا بالمساعدة على تطوير مصادر طاقة لهذا العالم يعتمد عليها بصورة متزايدة. وتتضمن هذه التقنيات الطاقة الشمسية، والرياح، والطاقة الجوفية، وطاقة التيارات المائية، واستعمال تدرج درجات الحرارة في تجمعات الماء، وغيرها.
--- SECTION: كيف تعمل خلية الوقود؟ ---
بالكهرباء. والحاجتان السابقتان كلتاهما ساعدتا على تطوير خلايا وقود الهيدروجين التي تضبط عملية تأكسد الهيدروجين وتزوّد السفينة بالماء والكهرباء؛ إذ لا يصاحب ذلك إنتاج مواد جانبية ينبغي التخلص منها أو تخزينها على السفينة خلال الرحلة.
خلية الوقود - كما في الخلايا الجلفانية الأخرى - أنود وكاثود، وتتطلب محلولًا موصلًا؛ حتى تستطيع الأيونات الانتقال بين الأقطاب. والمحلول الموصل الشائع في خلية الوقود محلول قلوي من هيدروكسيد البوتاسيوم. وكل قطب عبارة عن وعاء أجوف، جدرانه من كربون مسامي تسمح بالاتصال بين الحجرة الداخلية والمحلول الموصل المحيط بها. ويكتب نصف تفاعل الأكسدة للخلية على الأنود على النحو الآتي:
2H₂(g) + 4OH⁻(aq) → 4H₂O(l) + 4e⁻
يستعمل التفاعل أيونات الهيدروكسيد المتوافرة في المحلول الموصل القلوي، ويطلق إلكترونات على الأنود. فتتدفق الإلكترونات الناتجة عن أكسدة الهيدروجين خلال الدائرة الخارجية نحو الكاثود؛ حيث يحدث نصف تفاعل الاختزال على النحو الآتي:
O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)
تختزل الإلكترونات الأكسجين عند وجود الماء 4 أيونات هيدروكسيد تعمل على تعويض أيونات الهيدروكسيد المستخدمة عند الأنود. وعند جمع معادلتي نصفي التفاعل تكون المعادلة الكلية هي نفس معادلة احتراق الهيدروجين في الأكسجين.
2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)
ولما كانت الخلية تزود بالوقود من مصدر خارجي فإن خلية الوقود لا تنفد مثل سائر البطاريات؛ حيث تستمر في إنتاج الكهرباء ما دام الوقود متوافرًا.
وتستخدم بعض الخلايا وقودًا غير الهيدروجين بالميثان ويستبدل الهيدروجين بالميثان في بعض الخلايا إلا أنه قد يؤدي إلى إنتاج ثاني أكسيد الكربون كغاز الدفيئة. وتستعمل خلايا الوقود، كما في الشكل 13-4، صفيحة بلاستيكية تسمى غشاء تبادل البروتون (PEM) aproton – exchange membrane، مما يستبعد الحاجة إلى محلول موصل سائل.
--- SECTION: 93 ---
قارن خلايا الوقود بغيرها من الخلايا الجلفانية.
--- SECTION: الشكل 13-4 ---
أ. يكون الهيدروجين هو الوقود. ويتم فصل نصفي التفاعل بواسطة غشاء تبادل البروتونات؛ حيث تتدفق الإلكترونات الخارجية للوصول إلى موقع الاختزال، وخلال انتقالها تقوم بعمل مفيد كمشغل لمحرك إلكتروني. أما الناتج الجانبي لتفاعل الأكسدة والاختزال فهو الماء.
ب. يمكن لخلايا الحزمة من نوع PEM إنتاج طاقة كافية لتشغيل سيارة كهربائية.
وزارة التربية
149
Ministry of Education
2025 - 1447
--- VISUAL CONTEXT ---
**DIAGRAM**: الشكل 13-4 أ
Description: A diagram illustrating the working principle of a fuel cell. It shows hydrogen (H₂) entering the anode side and oxygen (O₂) entering the cathode side. Electrons (2e⁻) flow from the anode to the cathode through an external circuit, powering a light bulb. Protons (2H⁺) pass through a Proton Exchange Membrane (PEM) from the anode to the cathode. Water (H₂O) is produced at the cathode. The diagram labels the anode, cathode, electron current, and the overall reaction steps.
Key Values: أنود, كاثود, تيار إلكترونات, H₂, O₂, H₂O, PEM, 2e⁻, 2H⁺, 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O, H₂ → 2H⁺ + 2e⁻, صفيحة الجمع
Context: This diagram visually explains the electrochemical reactions and electron/proton flow within a fuel cell, demonstrating how chemical energy is converted into electrical energy.
**IMAGE**: خلية وقود (الشكل 13-4 ب)
Description: A photograph of a fuel cell stack, appearing as a compact, rectangular metallic device with visible cooling fins or plates. A measuring caliper is placed in front of it, suggesting its size or for scale. The image is labeled 'b' to correspond with the textual description.
Context: This image provides a real-world visual representation of a fuel cell stack, illustrating its physical appearance and potential for practical applications like powering electric cars, as mentioned in the accompanying text.
🎴 بطاقات تعليمية للمراجعة
عدد البطاقات: 8 بطاقة لهذه الصفحة
ما هي خلية الوقود وكيف تعمل بشكل عام؟
الإجابة: خلية الوقود هي نوع من الخلايا الجلفانية التي تضبط عملية تأكسد الهيدروجين لتزوّد بالماء والكهرباء، دون إنتاج مواد جانبية تحتاج للتخلص منها. تستمر في إنتاج الكهرباء ما دام الوقود متوافراً.
الشرح: خلية الوقود تحول الطاقة الكيميائية للهيدروجين والأكسجين مباشرة إلى طاقة كهربائية وماء، وهي مستمرة في العمل طالما يوجد وقود.
تلميح: فكر في آلية تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهربائية دون نفاد الخلية.
التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط
ما هو المحلول الموصل الشائع الاستخدام في خلية الوقود التقليدية؟
الإجابة: محلول قلوي من هيدروكسيد البوتاسيوم.
الشرح: يستخدم هيدروكسيد البوتاسيوم كمحلول موصل قلوي يسمح بانتقال الأيونات بين الأقطاب في خلية الوقود التقليدية.
تلميح: تذكر أن المحلول يجب أن يكون قلوياً لسماح بانتقال الأيونات.
التصنيف: تعريف | المستوى: سهل
اكتب معادلة نصف تفاعل الأكسدة الذي يحدث عند الأنود في خلية الوقود.
الإجابة: 2H₂(g) + 4OH⁻(aq) → 4H₂O(l) + 4e⁻
الشرح: هذا التفاعل يمثل أكسدة الهيدروجين حيث يتفاعل مع أيونات الهيدروكسيد ليتكون ماء وتتحرر إلكترونات.
تلميح: يبدأ التفاعل بجزيئات الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد وينتج ماء وإلكترونات.
التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: صعب
اكتب معادلة نصف تفاعل الاختزال الذي يحدث عند الكاثود في خلية الوقود.
الإجابة: O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)
الشرح: هذا التفاعل يمثل اختزال الأكسجين حيث يتفاعل مع الماء والإلكترونات لتكوين أيونات الهيدروكسيد.
تلميح: يبدأ التفاعل بالأكسجين والماء والإلكترونات وينتج أيونات هيدروكسيد.
التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: صعب
ما هي المعادلة الكلية لتفاعل خلية الوقود؟
الإجابة: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)
الشرح: عند جمع معادلتي نصفي التفاعل (الأكسدة والاختزال) نحصل على المعادلة الكلية التي تمثل تكوين الماء من الهيدروجين والأكسجين.
تلميح: هي نفس معادلة احتراق الهيدروجين في الأكسجين.
التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط
ما الفرق الرئيسي بين خلية الوقود والبطارية العادية؟
الإجابة: خلية الوقود تزود بالوقود من مصدر خارجي ولا تنفد، بل تستمر في إنتاج الكهرباء ما دام الوقود متوافراً، بينما البطارية العادية تنفد وتحتاج لإعادة شحن أو استبدال.
الشرح: خلية الوقود تعمل كجهاز تحويل مستمر للطاقة الكيميائية إلى كهربائية طالما يتم تزويدها بالوقود، بينما البطارية تخزن كمية محددة من الطاقة.
تلميح: فكر في مصدر الطاقة وكيفية تجديده.
التصنيف: فرق بين مفهومين | المستوى: متوسط
ما هو عيب استخدام الميثان كوقود في خلايا الوقود بدلاً من الهيدروجين؟
الإجابة: قد يؤدي إلى إنتاج ثاني أكسيد الكربون كغاز دفيئة.
الشرح: استبدال الهيدروجين بالميثان في خلايا الوقود قد ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز دفيئة يساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري.
تلميح: فكر في النواتج الثانوية للتفاعلات الكيميائية للوقود الهيدروكربوني.
التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: سهل
ما هو دور غشاء تبادل البروتون (PEM) في خلايا الوقود الحديثة؟
الإجابة: يستبعد الحاجة إلى محلول موصل سائل، حيث يفصل بين نصفي التفاعل ويسمح بمرور البروتونات.
الشرح: غشاء تبادل البروتون هو صفيحة بلاستيكية تعمل كموصل بروتوني بدلاً من المحلول السائل، مما يبسط تصميم خلية الوقود.
تلميح: تذكر أن الغشاء يحل محل المحلول السائل الموصل.
التصنيف: تعريف | المستوى: متوسط