נוסח השאלה המלא: בסוללות אבץ-אויר, לאחר הסרת המדבקה יש להמתין מספר דקות עד להתחלת השימוש, מדוע?

סוללה זה מתקן שהופך אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. התגובות הכימיות שמתרחשות בסוללה הן תגובות בהן יש מעבר של אלקטרונים (בעלי מטען חשמלי שלילי) בין המגיבים. תגובות כאלה נקראות תגובות חימצון-חיזור. כפי שהשם מרמז – התגובות דורשות נוכחות של חומר מחמצן וחומר מחזר. בכל סוללה (או תא אלקטרוכימי באופן כללי) קיים חומר מחמצן וחומר מחזר, פרט לסוללת אבץ-אוויר – שהיא קצת יוצאת דופן מהבחינה הזאת, כפי שנסביר מיד.
בסוללות מסוג 'אבץ-פחם' ו'אלקליין' הנפוצות, למשל, החומר המחזר הוא המתכת אבץ (Zn) והחומר המחמצן הוא התרכובת 'מנגן דו-חמצני' (MnO2).
הרעיון העומד מאחורי סוללות אבץ-אוויר הוא שיש באוויר בשפע חומר מחמצן חזק (למעשה – הביטוי 'חומר מחמצן' נגזר ממנו) – זהו גז החמצן (O2) שנמצא בריכוז של כ-21% באוויר באופן טבעי. כלומר – אפשר לבנות סוללה שלא מכילה גם מחמצן וגם מחזר ביחד, אלא רק חומר מחזר, בעוד שאת החומר המחמצן הסוללה תספוג מתוך האוויר, על ידי כך אפשר לעשות את הסוללה קלה יותר, ובעל 'צפיפות אנרגיה' גבוהה יותר (כי מכילה פחות חומר בהשוואה לסוללות רגילות שחייבות להכיל גם מחזר וגם מחמצן).
מבחינה כימית, התגובות המתרחשות בסוללת אבץ-אוויר הן הבאות:

האבץ , אשר הוא החומר המחזר, מוסר אלקטרונים e:
2Zn + 8OH → 2Zn(OH)42– + 4e

בתוך האלקטרוליט (תמיסה של מלחים אשר נמצאת בכל תא כימי) מתרחשת התגובה:

2Zn(OH)42– → 2ZnO + 2H2O + 4OH

החמצן – מחוזר, מקבל אלקטרונים, לפי התגובה:
O2 + 2H2O + 4e → 4OH

ובסה"כ התגובה היא:
2Zn + O2 → 2ZnO
(במילים: אבץ וחמצן מגיבים ביחד לתת תחמוצת אבץ, ZnO). המגיבים בתגובה נפרדים – והאלקטרונים שמועברים ביניהם מועברים דרך קטבי הסוללה (=באמצעות הזרם החשמלי שאנו משתמשים בו בעת השימוש בסוללה).

מקור החמצן, כאמור, הוא האוויר – כלומר האוויר הוא מרכיב קריטי לפעולת הסוללה. כאשר הסוללות משווקות לשוק – הן מכוסות במדבקה, אשר מונעת מהאוויר להיכנס לתוכם, כפי שניתן לראות בתמונה הבאה:


סוללות כפתור מסוג אבץ-אוויר, מויקיפדיה, צילום: Marc Andressen

הסיבה לכך היא שברגע שהמדבקה נפתחת – אורך חיי-המדף של הסוללה מתקצרים: למשל – סוללת 'כפתור' יכולה להישמר סגורה במשך 3 שנים לפחות, ללא אובדן עוצמה, אבל ברגע שנפתחת המדבקה, ואוויר חודר לתוכה, הסוללה טובה לשימוש למשך מספר שבועות בלבד – וזה משתי סיבות, האלקטרוליט בסוללה הוא חומר סופח מים, והסוללה יכולה לספוח את הלחות שבאוויר, ובנוסף – החמצן שבאוויר גורם לתופעה של 'פריקה עצמית' קלה – כלומר מגיב עם האבץ שבסוללה ומחמצן אותו, ומכלה אותו.

ומדוע הסוללה לא מתחילה לעבוד מיד עם הסרת המדבקה הנ"ל, אלא יש להמתין מספר דקות עד תחילת השימוש?
זה מפני שכאמור, המדבקה לא משמשת 'סתם' להגנה על קוטב הסוללה, אלא ממש אוטמת אותה מפני האוויר, כפי שנאמר. בסוללה יש חריץ קטן לכניסת אוויר (F), כפי שאפשר לראות בתרשים הבא של סוללת אבץ-אוויר:

תרשים של סוללת אבץ-אוויר, מויקיפדיה, צילום: Francis E Williams

את החריץ הזה המדבקה אוטמת. ברגע שפותחים אותו יש להמתין מספר דקות עד שחמצן יחדור לתוך חלל הסוללה, זה פשוט תהליך שלוקח זמן – בדיוק כמו שאם רוצים לאוורר חדר אטום או מרתף, ופותחים את החלון – לוקח מספר דקות מרגע פתיחת החלון ועד שאוויר 'טרי' נכנס פנימה. למעשה אספקת קבועה של אוויר טרי היא קריטית לפעולת סוללת אבץ-אוויר, על כל קיבול של 1 אמפר-שעה (=על כל הזרמת זרם של 1 אמפר במשך שעה אחת) הסוללה צורכת את החמצן שנמצא בליטר אחד של אוויר. מסיבה זו, דרך אגב, הסוללה איננה טובה לשימוש בחללים אטומים – היא חייבת גישה לאוויר טרי כל הזמן לצורך פעולתה!

ד"ר אבי סאייג
מכון 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 יתקבלו תמיד בברכה.