كيمياء مسلسل Breaking Bad - تشغيل محرك السيارة بواسطة بطارية من العملات المعدنية

تحذير:

تحوي مقدمة المقال على سرد أحداث من المسلسل فإذا كنت لم تنته من متابعة الموسم الثاني تجاوز قراءة الفقرة الأولى.

في الموسم الثاني الحلقة التاسعة تحت عنوان أربعة أيام في الخارج - Four Days Out، في طريقهم إلى القِمَّة لحجزِ مكانهم بين الشركات المصنعة للمخدرات في نيو مكسيكو، قام والتر وجيسي تدريجياً بتحسين معدات المختبرات الخاصة بهم. فسرق والتر بعض المعدات والمواد الكيميائية الأساسية من مدرسته، وحصل جيسي على معدات أكثر تخصصاً من خلال قنوات غامضة. ومع ذلك، فإنَّه من غير الممكن في الواقع إجراء أي عمليات اصطناع للميثامفيتامين بجودة عالية في مختبر مدرسة والتر أو حتى في المدينة دون جذب الإنتباه. لذلك يحضر والتر وجيسي شاحنة ترفيهية والتي يمكن أن تعمل كمختبر، ومن ثم يقومان بالقيادة إلى الصحراء لطبخ الميث. تحدث سلسلة من الحوادث المؤسفة خلال المرحلة الطويلة الأولى من الإنتاج، والتي تنتهي بتفريغ بطارية الشاحنة تمامًا.

وبدا لهما أنه ليس هناك أي وسيلة لبدء تشغيل المحرك. وتقطعت بهم السُبل في وسط الصحراء. وكما يمكن أن نتوقع بدأ الذعر يتسلل لقلبهما، ولكن معرفة والتر بالكيمياء ساعدته للوصولِ لحل. فبإستخدام البراغي، والعملات المعدنية (معدن غلفاني)، ووسادات الفرامل (كتل الجرافيت مع أكسيد الزئبق) استطاع أن يبني خلايا كهروكيميائية. وقد وفر لهما ذلك ما يكفي من الطاقة لبدء المحرك وينقذهم سوياً من الموت من العطش.

ومع ذلك، فإنَّ البطاريةَ التي صنعها والتر سوف توفر 9.66 فولت كحد أقصى وذلك في أبسط الظروف المثالية، هل سيكون هذا الجهد كافياً لبدء محرك شاحنة؟ غالبًا لا، فتولِّدُ البطارياتُ المعيارية 12 فولت، ومن الممكن أن يحدث انخفاض شديد فى الجهد، وخاصة بالنسبة لبدء التشغيل البارد. ومع ذلك، فإن المشكلة الرئيسة هي أنَّ الأسلاك الرقيقة التي استخدمها والتر لتوصيل الخلايا الجلفانية تبدو غير مناسبة لنقل التيار الكهربائي الأدنى النموذجي (400 أمبير) المطلوب لبدء تشغيل المحرك.

- ما هي الخلايا الكهروكيميائية؟

في أي عملية كهروكيميائية، تتدفق الإلكترونات من مادة كيميائية إلى أخرى، مدفوعةً بتفاعلات الأكسدة والإرجاع. تحدث تفاعلات الأكسدة والإرجاع عندما تنتقل الإلكترونات من مادة تتأكسد إلى مادة يتم إرجاعها. المادة المُرجِعة هى المادة التي تفقد الإلكترونات وتتأكسد؛ والمواد المؤكسِدة هي المواد التي تكسب الإلكترونات وتُرجَع. وتحدد الطاقة الكامنة عن طريق فرق الجهد بين إلكترونات التكافؤ في ذرات العناصر المختلفة، وبما أنَّه من المستحيل حدوث عملية إرجاع دون عملية أكسدة والعكس، فيوصف تفاعل أكسدة/إرجاع بأنه نصفي تفاعل، فعملية الأكسدة تعتبر النصف الأول للتفاعل، وعملية الإرجاع تعتبر النصف الآخر له.

والجهاز الذى يستخدم لتوليد الكهرباء من تفاعلات الأكسدة والإرجاع أو لاستهلاك الكهرباء لتحريض تفاعل أكسدة/إرجاع، يسمى بالخلية الكهروكيميائية.

وهناك نوعان من الخلايا الكهروكيميائية: الخلايا الغلفانية والخلايا الإلكتروليتية (الكهربائية)، كلا النوعين يحتويان على قطبين كهربائيين من المعادن الصلبة متصلين بدارة خارجية التي توفر الاتصال الكهربائي بين جزأي النظام. تحدث الأكسدة عند القطب الموجب anode، بينما يحدث الإرجاع عند القطب السالب cathode.

- الخلية الغلفانية (الفولتية):

تستخدم الخلية الغلفانية (الفولتية) الطاقة المنبعثة خلال تفاعل أكسدة/إرجاع التلقائي لتوليد الكهرباء. وغالبًا ما يطلق على هذا النوع من الخلايا الكهروكيميائية اسم الخلية الفولتية.

لتوضيح المبادئ الأساسية للخليةِ الجلفانية، دعونا ننظر في رد فعل الزنك المعدني مع شاردة النحاس الثنائية (Cu2+) لإعطاء معدن النحاس وشاردة الزنك (Zn2+) المعادلة الكيميائية المتوازنة هي كما يلي:

Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

يمكننا أن نتسبب في حدوث هذا التفاعل عن طريق إدخال قضيب من الزنك في محلول مائي من كبريتات النحاس الثنائية. كلما استمر التفاعل كلما ذاب قضيب الزنك وتشكلت كتلة من النحاس المعدني. تحدث هذه التغيرات تلقائياً، ولكن كل الطاقة المنبعثة تخرج على شكل حرارة بدلاً من شكل يمكن الإستفادة منه.

ولكن ما أهمية الطاقة الحرارية في وسط الصحراء؟ لذلك قام مستر وايت باستخدام نفس المبدأ ولكن بمواد مختلفة. فقد استخدم إسفنج غسيل الأطباق ومحلول هيدروكسيد البوتاسيوم KOH لصنع الوسط الناقل للأيونات الذي يصل بين جزأي نظام الخلية الكهروكيميائية. بالنسبة للقطبين، فاستخدم قطع معدنية غلفانية لتمثيل القطب الموجب (مثل البراغي والعملات المعدنية)، وبالتالي يحدث تفاعل أكسدة الزنك كالتالي:

Zn → Zn2+ + 2e-

وقيمة الطاقة (فرق الكمون) الناتجة عن نصف التفاعل هذا تعادل -0.76 فولت.

أما بالنسبة للقطب السالب فقد استخدم والتر وسادات الفرامل لتمثيله. وهي عبارة عن كتل من الجرافيت مغطاة بأوكسيد الزئبق HgO. يحدث تفاعل الإرجاع كالتالي:

Hg2+ + 2e- → Hg

وقيمة الطاقة (فرق الكمون) الناتجة عن نصف التفاعل هذا تعادل 0.85 فولت.

ويتمثل التفاعل المتوازن الذي حدث في الخلية الكهروكيميائية التي صنعها مستر والتر في المعادلة التالية:

Zn + Hg2+ → Zn 2+ + Hg

وقيمة الطاقة النهائية الناتجة تعادل 1.61 فولت.

ولكن هل هذه الطاقة كافية لتشغيل بطارية شاحنة؟

لم يستخدم والتر خلية كهروكيميائية واحدة فقط، وإنما استخدم ست خلايا وبالتالي وعند وصلهم على التسلسل فإنَّ الطاقة الكلية المتولدة تعادل 9.66 فولت في الشروط المثالية.

ويعتبر الفرق بين الخلية الغلفانية التي صنعها مستر وايت والخلية الإلكتروليتية أن الأخيرة تستهلك طاقة كهربائية من مصدر كهربائي خارجي، وتستخدم تلك الطاقة لتوليد تفاعل أكسدة/إرجاع والذي يعتبر هنا عملية غير تلقائية.

المصادر:

1- هنا

2- هنا

3- هنا

4- هنا