נוסח השאלה המלא: מדוע בסוללה חשמלית (ולא משנה מאיזה סוג) שתי המתכות המעורבות בריאקציה טבולות בתמיסה יונית? האם ההפרשים באלקטרושליליות שבין המתכות לא מספיקים כדי ליצור מעבר של אלקטרונים ביניהן?
ראשית – תיקון קטן לנוסח השאלה, לא ההפרשים באלקטרושליליות בין מתכות (או כל חומר אחר) יוצרים סוללה, אלא הפרשים בפוטנציאל חימצון-חיזור.
בקצרה התשובה לחלק השני של השאלה הוא: לא רבתי!, או כמו שאומרים 'איפה המתח החשמלי /אלקטרוכימי בין המגיבים ואיפה המתח החשמלי שיווצר במעבר אלקטרונים בתגובה ללא האיזון של תמיסה יונית' – מדובר בשני גדלים שונים פי יותר מטרליון אחד מהשני, השוני נובע בעיקר בגלל גודלו העצום של קבוע אבוגדרו (קבוע אבוגדרו הוא מספר החלקיקים שיש במול אחד של חומר, הדוגמא הבאה תמחיש את גודלו: אומרים כי ביקום שלנו יש מיליארד גלקסיות, כמו שביל החלב שלנו, ובכל כל גלקסיה וגלקסיה – יש מיליארד מערכות שמש, כמו מערכת השמש שלנו, כלומר יש מספר עצום בגודלו של מערכות-שמש ביקום, ובכל-זאת, בטיפת מים אחת (אלפית מול) יש יותר מולקולות מים ממערכות שמש ביקום!)
ועכשיו נסביר בפירוט את התשובה, תוך כדי חישוב מספרי: ניקח לדוגמא תא אלקטרוכימי המבוסס על תגובה בין יוני נחושת לבין אבץ.
כאשר התא בנוי ממוט אבץ (Zn) הטבול בתוך תמיסה של אבץ כלורי ZnCl2, ומוט נחושת (Cu) שטבול בתוך תמיסת נחושת כלורית CuCl2. באנודה, מתרחש תהליך של חימצון, בו האבץ מוסר 2 אלקטרונים והופך ליון אבץ:
-Zn->Zn2+ + 2e
ובקתודה, תהליך חיזור, בו יוני הנחושת (שנוצרים מהמסת הנחושת הכלורית במים) מקבלים 2 אלקטרונים והופכים לנחושת מתכתית:
Cu2+ + 2e- -> Cu
האלקטרונים מתהליך החימצון חיזור הם הזורמים במעגל החשמלי, מהחצי-תא של האבץ לחצי תא של הנחושת.
דבר ראשון, מהתגובה האחרונה ברור שחייבים תמיסה יונית, כי הנחושת עצמה לא מגיבה, אלא יוני הנחושת שבתמיסה, נחושת מתכתית (או כל מתכת אחרת) לא צריכה עוד אלקטרונים ולא נוטה להפוך ליונים שליליים (עם עודף אלקטרונים) לכן אף מתכת לא תגיב עם אף מתכת, כי אף מתכת לא 'צריכה' אלקטרונים ולא תמשוך אלקטרונים ממתכת אחרת (מתכות אינן אלקטרושליליות) כך שמשתי מתכות טהורות לא יכולה להיווצר סוללה שתזרים אלקטרונים ממקום למקום.
אבל אני מניח ששאלת מדוע צריך את החיבור של התמיסה היונית של שתי המתכות יחד, במין 'גשר מלח' כפי שרואים בתמונה הבאה. הרי שתי התגובות הנ"ל מתרחשות ספונטנית, ויוצרות מתח חשמלי ביניהן (בסדר גודל של וולט).
תרשים של תא אלקרטוכימי. במרכז (בצורת U הפוכה) רואים את גשר המלח שמחבר יחד את התמיסות בשני חצאי התא. (התמונה באדיבות אתר ויקיפדיה)
אם לא היה גשר של מלח, אזי בתמיסה של האבץ היו מצטברים יוני אבץ, ובתמיסה של הנחושת היה נוצר חוסר ביוני נחושת ביחס למטען יוני הכלור שבתמיסה (כי יוני הנחושת מגיבים ונעלמים בתגובה, בעוד שיוני הכלור לא מגיבים בה).
מטענו החשמלי של האלקטרון הוא זעיר, רק 10-19*1.6 קולון, מטען אפסי, אבל – בחישוב המטען החשמלי של מול של אלקטרונים (צריך להכפיל במספר אבוגדרו 1023*6.02) התוצאה היא בקירוב 96,500 קולון לכל מול של אלקטרונים (המספר הזה מכונה גם קבוע פאראדיי, על שם המדען הבריטי מייקל פאראדיי שגילה תגליות רבות בחשמל במגנטיות ובכימיה), זהו מטען חשמלי עצום.
אפשר לחשב מה יהיה המתח החשמלי בין שני חצאי התא אם מול של חומר יגיב בכל צד. בתורת החשמל מתח הוא הפרש הפוטנציאל החשמלי בין שתי נקודות, פוטנציאל חשמלי מחושב לפי הנוסחה f=k*q/r, כאשר q הוא המטען החשמלי r הוא המרחק מהמטען ו- k הוא קבוע שערכו 109*9 אם משתמשים ביחידות מטען של קולון ומרחק במטרים.
ממרחק של חצי מטר, הפוטנציאל החשמלי של מול אלקטרונים (96,500 קולון) יהיה לכן: f=9*109*96500/0.5=1.7*1015V (לצורך פשטות החישוב הנחנו שהמטען הוא נקודתי). והמתח בין שתי כוסות כימיות אחת בעלת עודף של מול מטענים חיובייים והשנייה בעלת עודף מטענים שליליים יהיה לכן כפול מזה. מתח חשמלי בסדר גודל של 1015 וולט (מיליארד מיליונים) הוא מטורף, וכמו שכתבתי בהתחלה גדול בהרבה מהמתח האלקטרוכימי בין המגיבים בתגובה. ולכן ללא גשר מלח התגובה נעצרת תוך שבריר של שנייה / של חומר שמגיב, שאי אפשר אפילו למדוד. גשר המלח מאפשר (כמו שרואים בסרט שבקישור למעלה) זרימה מתמדת של יוני כלור ששומרת על איזון חשמלי בכל חלקי הסוללה, ומכאן החשיבות האדירה שבכל סוללה ובכל תא חשמלי המגיבים יהיו טבולים בתמיסה יונית ('אלקטרוליט') אחרת המתח החשמלי שיווצר מעודף / חוסר מטענים בכל צד של הסוללה יעצור את התגובה הכימית באופן מיידי – והסוללה לא תגיב.
מצבר של מכונית (ויקיפדיה)
כהערת אגב נעיר כי בשל המטען החשמלי העצום (96,500 קולון) של מול אלקטרונים, תהליכים תעשייתיים ליצור מתכות באמצעות אלקטרוליזה דורשים כמות אדירה של חשמל. למשל אלומיניום – מיצרים בשיטת האלטרוליזה, ולפי הרשום בקישור הבא, בארה"ב, ייצור אלומיניום לבדו צרך 1% מצריכת החשמל של ארצות-הברית כולה!
מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
