More Related Content
Similar to Ec electrochem-text
Similar to Ec electrochem-text (19)
Ec electrochem-text
- 1. 1
ไฟฟาเคมี
(Electrochemistry)
ไฟฟาเคมี เปนการศึกษาเกียวกับปฏิกิริยาเคมีที่ทําใหเกิดกระแสไฟฟา กระแสไฟฟาทําให
่
เกิดปฏิกิริยาเคมีหากใชการถายเทอิเล็กตรอนเปนเกณฑแลว ปฏิกิริยาเคมีแบงเปน 2 ประเภท
1. ปฏิกิริยาที่มีการถายเทอิเล็กตรอน เรียกวาปฏิกิริยารีดอกซ (Redox Reaction)
2. ปฏิกิริยาที่ไมมีการถายเทอิเล็กตรอน เรียกวาปฏิกิรยานอนรีดอกซ (Non redox Reaction)
ิ
ปฏิกิริยารีดอกซ (Redox Reaction )
ปฏิกิริยารีดอกซ หมายถึง ปฏิกิริยาที่เกียวกับการถายเทอิเล็กตรอน
่
ตัวอยาง เมื่อนําแผนโลหะทองแดง (Cu) จุมลงในสารละลายของ AgNO3 พบวาที่แผน
โลหะ Cu มีของแข็งสีขาวปนเทามาเกาะอยู และเมื่อนํามาเคาะจะพบวาโลหะ Cu เกิดการสึกกรอน
สวนสีของสารละลาย AgNO3 ก็จะเปลี่ยนจากใสไมมีสีเปนสีฟา
การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นนี้อธิบายไดวาการที่โลหะทองแดงเกิด การสึกกรอนเปนเพราะ
โลหะทองแดง(Cu) เกิดการเสียอิเล็กตรอนกลายเปน Cu2+ ซึ่งมีสีฟาและเมื่อ Ag+ รับอิเล็กตรอนเขามา
จะกลายเปน Ag (โลหะเงิน) มาเกาะอยูทแผนโลหะทองแดง
ี่
ปฏิกิริยาที่เกิดขึน เขียนในรูปสมการไดดังนี้
้
Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (oxidation reaction)
Ag+(aq) + e- Ag(s) (reduction reaction)
electron ที่ถายเทตองเทากัน สมการเคมีที่เกิดขึ้นทีแทจริงตองเปน
่
Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (oxidation reaction)
2Ag+(aq) +2 e- 2Ag(s) (reduction reaction)
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในแตละสมการเรียกวา ครึ่งปฏิกิริยา ซึ่งการเกิดปฏิกิริยาถายเท อิเล็กตรอน
จะเกิดขึ้นไดสมบูรณก็ตอเมือตองนําครึ่งปฏิกิริยาทั้งสองมารวมกัน เขียนเปนสมการไดดังนี้
่
Cu(s) + Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s) (redox reduction)
- 2. 2
สรุปไดวาการเกิดปฏิกิริยารีดอกซจะตองประกอบไปดวย
1. สารที่ให อิเล็กตรอนเรียกวาตัวรีดิวซ (reduce agent) เกิดปฏิกิรยาออกซิเดชัน
ิ
(Oxidation Reaction)
2. สารที่รับ อิเล็กตรอนเรียกวาตัวออกซิไดซ (oxidizing agent) เกิดปฏิกิริยารีดักชัน
(Reduction Reaction)
เซลลไฟฟาเคมี
เนื่องจากการที่สารที่ให อิเล็กตรอนและสารที่รับ อิเล็กตรอนสัมผัสกันโดยตรง จะไมสามารถ
แสดงกระแสไฟฟาที่เกิดขึ้นได ดังนั้นหากตองการใหมีกระแสไฟฟาเกิดขึ้นตองมีการนําลวดตัวนํา
ไฟฟาตอเชื่อมเขาไประหวางขั้วไฟฟาของครึ่งเซลลที่ให อิเล็กตรอนและครึ่งเซลลที่รับ อิเล็กตรอน
และพรอมกับโวลตมิเตอร และสะพานเกลือเชื่อมระหวางครึ่งเซลลทั้งสอง
e- e-
ขั้วไฟฟ ขั้วไฟฟ
Cu สะพานเกลือ Ag เซลลไฟฟาเคมี
Cu2+ Ag+
Cu Cu2+ + 2 e- Ag+ + e- Ag
ครึ่งเซลล Oxidation Reduction (half reaction)
ขั้วไฟฟา ลบ (Anode) บวก (Cathode) (Electrode)
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น Cu(s) + 2Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s) (Redox Reaction)
- 3. 3
แผนภาพเซลลไฟฟาเคมี
หากปฏิกิริยารีดอกซที่เกิดขึ้นเปน A(s) + B+(aq) A+(aq) + B(s)
แผนภาพเซลลไฟฟาเคมี A(s) | A+(aq) || B+(aq) | B(s)
ครึ่งเซลลออกซิเดชัน ครึ่งเซลลรีดักชัน
หมายเหตุ 1. | | แทนสะพานเกลือ และแตละครึ่งเซลลใหใชเครื่องหมาย | คั่นระหวางสารตาง
สถานะ
2. หากตองการระบุความเขมขนใหเขียนไวในวงเล็บแลววางหลังสารละลาย
เชน Cu(s) | Cu2+(aq)(0.1M) | | Ag+(aq)(0.1M) | Ag(s)
3. หากสารในสถานะเดียวกันมีมากกวา 1 ชนิด ใหใชเครื่องจุลภาค ( , ) คั่น
เชน Fe(s) | Fe2+(aq) , Fe3+(aq) | | Cu2+(aq) | Cu(s)
4. หากมีความดันเกียวของ ใหระบุความดันในวงเล็บ แลววางหลังกาซนั้น
่
เชน Pt(s) | H2(atm) | H+(aq) | | Ag+(aq) | Ag(s)
- 4. 4
ศักยไฟฟามาตรฐาน (E°)
ครึ่งเซลลมาตรฐานที่ใชเปรียบเทียบความสามารถในการใหรับ อิเล็กตรอน ของครึ่งเซลล
ตางๆ จะใชครึงเซลลไฮโดรเจนเขียนแทนดวย Pt(s) | H2(1atm) | H+(1M) และกําหนดใหคาศักยไฟฟา
่
ของไฮโดรเจนที่สภาวะมาตรฐาน(25°C,1atm) มีคาเทากับศูนยโวลต
Eo H2 = 0.00 Volt
การวัดคาศักยไฟฟามาตรฐาน Eo ของเซลลไฟฟาใดๆ ทําไดโดยการนําครึ่งเซลลมาตรฐาน
ไฮโดรเจนตอกับครึ่งเซลลที่สนใจ และขัวไฟฟาจะตองจุมอยูในสารละลายเขมขน 1 Molarโดย
้
E°Cell = E°Cathode - E° Anode
- 5. 5
ขอควรทราบเกี่ยวกับคา E°
1. ถามีการกลับสมการ คา E° จะเทาเดิม แตเครื่องหมายตรงกันขาม
2. ถามีการคูณสมการดวยตัวเลขใดๆ คา E° จะเทาเดิม ไมเปลี่ยนแปลง
3. คา E°reduction ยิ่งมาก แสดงวาสารนันยิ่งรับ อิเล็กตรอน ไดดี (แนวโนมความเปนตัว
้
ออกซิไดซมากขึ้น)
คา E°reduction ยิ่งต่ํา แสดงวาสารนันยิ่งให อิเล็กตรอน ไดดี (แนวโนมความเปนตัว
้
รีดิวซ มากขึน)
้
โดยทั่วไปเมื่อกลาวถึง E° หากไมมีการระบุวาเปน E°reduction หรือ E°oxidation ใหถือวา
เปน E°reduction
ประโยชนของคา E°reduction
1. ใชเปรียบเทียบความสามารถในการเปนตัวรีดวซและตัวออกซิไดซ
ิ
Ä สารที่ให อิเล็กตรอน ไดดี E° ต่ํา , สารที่รับ อิเล็กตรอน ไดดี E° สูง
เชน Zn2+(aq) + 2 e- Zn(s) E° = - 0.76 Volt
Ag+(aq) + e- Ag(s) E° = 0.80 Volt
พิจารณา Eo Zn2+ < Eo Ag+
ตัวรีดิวซ : Zn > Ag
ตัวออกซิไดซ : Ag+ > Zn2+
- 6. 6
2. ใชคํานวณคาศักยไฟฟาของเซลลและครึ่งเซลล
E°Cell = E°Cathode - E° Anode
= E°ขั้วบวก - E°ขั้วลบ
= E°สูง - E°ต่ํา
ประโยชนของคา E°Cell
E°Cell > 0 ปฏิกิริยาเกิดได
E°Cell < 0 ปฏิกิริยาเกิดไมได (เกิดในทิศตรงขาม)
E°Cell = 0 ปฏิกิริยาเกิดไมไดแนนอน
ตัวอยางการคํานวณศักยไฟฟาของครึ่งเซลล
EX. เมื่อนําครึ่งเซลลของ Ag | Ag+ ตอกับครึ่งเซลลของ Pt | H2 | H+ พบวาเข็มของโวลต
มิเตอรเบนหาขั้ว Ag และอานคาได 0.80 Volt ใหหาคา E° ของ Ag+ + e- Ag
วิธีทํา จากการที่เข็มโวลตเบนเขาหาขัว Ag
้
แสดงวา Ag | Ag+ รับ e-
Pt | H2 | H+ ให e-
จาก E°Cell = E°Cathode - E° Anode
0.80 = Eo Ag - Eo H2
0.80 = Eo Ag – 0
ดังนั้น Eo Ag = 0.80 Volt
นั่นหมายความวา Ag+ + e- Ag E° = 0.80 Volt
ตัวอยางการคํานวณศักยไฟฟาของเซลล
EX. เมื่อนําครึ่งเซลลของ Fe | Fe2+ ตอเขากับ Ni | Ni2+ ใหหาคา E°Cell
กําหนด Fe2+ + 2 e- Fe E° = - 0.41 Volt
Ni2+ + 2 e- Ni E° = - 0.23 Volt
วิธีทํา E°Cell = E°สูง - E° ต่ํา
E°Cell = E°Cathode - E° Anode
= - 0.23 - ( - 0.41)
= 0.18 Volt
- 7. 7
อิเล็กโตรลิซิส (Electrolysis)
ปฏิกิริยาใดที่เกิดขึ้นไมได เชน Cu(s) + Zn+(aq) Cu2+(aq) + Zn(s)
หากตองการทําใหเกิดปฏิกิรยาก็สามารถทําไดโดยผานพลังงานไฟฟาจากภายนอก ซึ่ง
ิ
ปฏิกิริยาที่ไดจากการแยกสลายดวยดวยไฟฟานี้มีชื่อเรียกวา อิเล็กโตรลิซิส (Electrolysis)
สวนประกอบที่สําคัญของ Electrolytic Cell
1. แหลงพลังงานไฟฟาจากภายนอก
2. ขั้วไฟฟา
3. สารละลายอิเล็กโตรไลท
ลักษณะการเกิดปฏิกิริยาเปนดังนี้
สารที่ให อิเล็กตรอน แกขวบวก เกิดปฏิกริยา Oxidation
ั้ ิ ขั้วอาโนด -
สารที่รับ อิเล็กตรอน จากขั้วลบ เกิดปฏิกิริยา Reduction ขั้วคาโทด +
การดุลสมการรีดอกซ
ตองผานขั้นตอนการหาเลขออกซิเดชัน
1.โดยเลขออกซิเดชันจะหมายถึงตัวเลขแสดงคาประจุไฟฟาที่แทจริงหรือประจุไฟฟาสมมติ
ของธาตุ
เกณฑการกําหนดคาเลขออกซิเดชัน (O.N.)
1. ธาตุอิสระ (ไมรวมตัวกับธาตุอื่น มีคา O.N. = ศูนย)
เชน Mg , O2 , O3 , S8 , P4
2. ธาตุหมู 1 ในสารประกอบ มีคา O.N. = 1
เชน LiNo3 , NaCl , KclO3
- 8. 8
3. ธาตุหมู 2 ในสารประกอบ มีคา O.N. = 2
เชน MgCl2 , CaCO3 , BeCl2
4. ธาตุไฮโดรเจน ในสารประกอบ มีคา O.N. = 1
เชน HCl , NH3 , H2O
ยกเวน ในสารประกอบของโลหะ เชน NaH , AlH3 H มี O.N. = -1
5. ธาตุออกซิเจน ในสารประกอบ มีคา O.N. = - 2
เชน H2O , CO2 , C2O
ยกเวน H2O2 , Na2 O , NaO2 , OF O มี O.N. = -2
6. ผลรวมของ O.N. ในสารประกอบมีคาเปนศูนย
เชน KmnO4 , MnO2 , Na2C2O4
7. ผลรวมของ O.N. ในไอออนเทากับจํานวนประจุ
เชน MnO4- , Cr2O72-, Fe(CN)63-
Note ไอออนที่ควรจํา SO42- , CN- , CO32- , NO3- ไอออนที่มี O.N. เทากับจํานวนประจุ
ตัวอยางการหาเลขออกซิเดชันของธาตุ
Mn2O7 2Mn + 7O = 0 Na3PO4 3Na + P + 4O = 0
2Mn + 7(-2) = 0 3(1) + P + 4(-2) = 0
2Mn = 14 3+P–8 = 0
Mn = +7 # P = +5 #
MnSO4 Mn + SO4 = 0 C2O42- 2C + 4O = -2
Mn + (-2) = 0 2C + 4(-2) = -2
Mn = +2 # 2C = 6
C = +3 #
ขั้นตอนการดุลสมการรีดอกซ
1. หาธาตุที่มี O.N. เปลี่ยนไป ตอ 1 อะตอมของธาตุ
2. นําเลข O.N. ที่เปลี่ยนไปมาคูณไขว (เพื่อใหจํานวน อิเล็กตรอน ที่ถายเทเทากัน)
3. ดุลอะตอมของธาตุ (H กับ O ทําทีหลัง)
4. ถาทอนไดใหทอนเปนอัตราสวนอยางต่ําดวย
- 9. 9
ตัวอยางการดุลสมการรีดอกซ
EX. FeCl3 + SnCl2 FeCl2 + SnCl4
1. หาเลข O.N. ที่เปลี่ยนไป ตอ 1 อะตอมของธาตุ
FeCl3 + SnCl2 FeCl2 + SnCl4
+3 +2 +2 +4
รับ 1 e-
เสีย 2 e-
2. คูณไขวจํานวน e- ใหถายเทเทากัน
2FeCl3 + SnCl2 FeCl2 + SnCl4
3. ดุลสมการ
2FeCl3 + SnCl2 2FeCl2 + SnCl4
EX. KMnO4+ KNO2 + H2SO4 MnSO4 + H2O + KNO3 + K2SO4
1. หาเลข O.N. ที่เปลี่ยนไป ตอ 1 อะตอมของธาตุ
KMnO4 + KNO2 + H2SO4 MnSO4 + H2O + KNO3 + K2SO4
+7 +3 +2 +5
รับ 5 e-
เสีย 2 e-
2. คูณไขวจํานวน e- ใหถายเทเทากัน
2KMnO4 + 5KNO2 + H2SO4 MnSO4 + H2O + KNO3 + K2SO4
3. ดุลสมการ
2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 2MnSO4 + 3H2O + 5KNO3 + K2SO4
การดุลสมการรีดอกซแบบครึ่งปฏิกิริยา
ทําตามขั้นตอนดังนี้
1. ในสารละลายกรด
EX. Fe2+ + Cr2O72- Fe3+ + Cr3+
วิธีทํา 1. แยกครึ่งปฏิกิริยา
Fe2+ Fe3+ Cr2O72- Cr3+
- 10. 10
2. ดุลอะตอม
Fe2+ Fe3+ Cr2O72- 2Cr3+
เติม H2O ดานขาดออกซิเจนเทากับจํานวนที่ขาด
ออกซิเจน
Cr2O72- 2Cr3+ + 7H2O
เติม H+ ดานขาดไฮโดรเจนเทากับจํานวนที่ขาด
ไฮโดรเจน
Cr2O72-- + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O
3. ดุลประจุ (โดยการเติม e- )
จาก Fe2+ Fe3+ + e- จํานวนประจุเทากันคือ 2
Cr2O72- + 14H+ + 6 e- 2Cr3+ + 7H2O จํานวนประจุเทากันคือ 6
4. ทําการถายเท e- ใหเทากัน (โดยการคูณไขวจํานวน อิเล็กตรอน)
6Fe2+ 6Fe3+ + 6 e-
Cr2O72- + 14H+ + 6 e- 2Cr3+ + 7H2O
5. รวมสมการ
6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
2. ในสารละลายเบส
EX. I- + MnO4- ® I2 + MnO2
วิธีทํา แยกครึ่งปฏิกิริยา
I- I2 ดุลอะตอม MnO4- MnO2
-
2I I2 ดุลประจุ Q อะตอมของ Mn ดุลแลว
2I- I2 + 2 e- ∴ ดุล O โดยเติม H2O ดานขาด Oเทากับ
จํานวนที่ขาด O2
MnO44- MnO2 + 2H2O
เติม H+ ดานขาด H เทากับจํานวนที่ขาด H
MnO44- MnO2 + 2H2O
Q สารละลายเบสหามมีกรด ดังนั้นตองเติม OH- ทั้ง 2 ดาน
MnO4- + 4H+ + 4OH- MnO2 + 2H2O + 4OH-
+ -
Q H + OH H2O ดังนั้นจะไดสมการเปน
-
MnO4 + 4H2O MnO2 + 2H2O + 4OH- หักลาง H2O
- 11. 11
MnO4- + 2H2O MnO2 + 4OH- ดุลประจุ
MnO4- + 2H2O + 3 e- MnO2 + 4OH-
ทํา e- ที่ถายเทใหเทากัน (โดยดุลจํานวน e- )
Oxidation 2I- I2 + 2 e- (1)
Reduction MnO4- + 2H2O + 3 e- MnO2 + 4OH- (2)
(1) x 3 จะได 6I- 3I2 + 6 e-
(2) x 2 จะได 2MnO4- + 4H2O + 6 e- 2MnO2 + 8OH-
รวมสมการ 6I- + 2MnO4- + 4H2O 3I2 + 2MnO2 + 8OH-
ประโยชนของเซลลกัลวานิก
เซลลกัลวานิก อาจแบงออกไดเปน 2 ลักษณะ คือ
1. เซลลปฐมภูมิ (Primary Cell)
เปนเซลลที่เมื่อใชแลวไมอาจทําใหกลับไปสูสภาพเดิมไดอีกโดยใชศักยไฟฟาภาพนอก เซลล
ชนิดนี้ ไดแก ดาเนียลเซลล เซลลแหง และอื่นๆ
1.1 เซลลแหงหรือถานไฟฉาย
เซลลแหงหรือบางทีเรียกวาเซลลเลอคลัง เซลล (leclanche cell) เปนเซลลที่ใชในไฟฉาย ซึ่งมี
ลักษณะตามรูปที่ 1. กลองของเซลลทําดวยโลหะสังกะสีซึ่งทําหนาที่เปนขั้วลบ สวนแทงคารบอนหรือ
แกไฟตทําหนาที่เปนขั้วบวก ภายในกลองระหวางสองอิเล็กโตรดบรรจุดวยของผสมของแอมโมเนียม
คลอไรด, แมงกานีส (IV) ออกไซด, ซิงค (II) คลอไรด, ผงคารบอนกับของแข็งอื่นที่ไมมีสวนในการ
ทําปฏิกิริยาและทําใหชุมดวยน้ํา ระหวางของผสมเหลานี้กับกลองสังกะสีกั้นดวยกระดาษพรุน
ตอนบนของเซลลผนึกดวยวัสดุที่สามารถรักษาความชื้นภายในเซลลใหคงที่ เมื่อเซลลทําหนาที่จาย
ไฟฟา Zn จะใหอิเล็กตรอนเปน Zn2+ เปนเหตุใหกลองสังกะสีเปนขั้วลบ ปฏิกิริยาที่เกิดขึนจึงเปน
้
oxidation reaction
Zn(s) Zn2+(aq) + 2e-
ที่ขั้วบวก แมงกานีส(IV) ออกไซด จะถูกรีดวซ ิ
ซึ่งมีปฏิกิริยาครึ่งเซลลเปนดังนี้
2MnO2(s) + 8NH4+(aq) + 2e 2Mn3+(aq) + 4H2O + 8NH3(aq)
เพราะฉะนันปฏิกิริยาสุทธิที่ไดจากปฏิกิริยาครึ่งเซลลทั้งสอง จึงเปน
้
Zn(s) +2MnO2(s) + 8NH+4(aq) Zn2+(aq) + 2Mn3+(aq) + 8NH3(aq) +4H2O
- 12. 12
ถามีการจายกระแสไฟฟามากก็จะทําใหเกิด NH3 ขึ้น ซึ่งจะเขาทําปฏิกิริยากับ Zn2+ เกิด
เปนไอออนเชิงซอน เปนตนวา [Zn(NH3)4]2+ และ [ Zn(NH3)4 ]2+ และ [ Zn(NH3)2(H2O)2]2+ เซลลแหง
ดังกลาวจะใหศักยไฟฟาประมาณ 1.5 โวลต การเกิดไอออนเชิงซอนชวยรักษาความเขมขนของ Zn2+
ไมใหสูงขึ้น จึงทําใหศักยไฟฟาของเซลลเกือบคงที่เปนเวลานานพอสมควร
สวนประกอบของเซลลแหง
1.2 เซลลสําหรับวัตถุประสงคพิเศษ
สําหรับเซลลวัตถุประสงคพิเศษ ที่จะกลาวถึง ไดแก เซลลรูบิน-มาลลอรี่(Rubin-Mallory cell)
หรือบางทีเรียกเซลลเมอรคิวรี(Mercury cell) ซึ่งมีขนาดเล็กและใชกนมากในเครื่องฟงเสียงสําหรับคน
ั
หูพิการ หรือประโยชนอื่นๆ เซลลนี้ใชกลองสังกะสีเปนขั้วลบ แทงคารบอน(แกรไฟต เปนขั้วบวก
คลายกับของเซลลแหง แตใชอิเล็กโตรไลตเปนของผสมที่ชุมและเหนียวของเมอรคิวรี (II) ออกไซด
โซเดียมหรือโพแทสเซียมไฮ ดรอกไซด เซลลนี้จะใหศกยไฟฟาประมาณ 1.3 โวลต และมีปฏิกิริยาเคมี
ั
ดังนี้
ขั้วลบ : Zn(s) + 2OH-(aq) Zn(OH)2(s) + 2e-
ขั้วบวก : HgO(s) + 2H2O + 2e- Hg(l) + 2OH-(aq)
ปฏิกิริยาสุทธิ : Zn(s) + HgO(s) + 2H2O Zn(OH)2(s) + Hg(l)
1.3 ดาเนียลเซลล (Daniel Cell)
จากภาพ อิเล็กโตรดทองแดงประกอบดวยโลหะทองแดงบรรจุอยูในสารละลายอิ่มตัวของ
คอปเปอร(||) ซัลเฟต (A) สวนลางของเซลลมีผลึกของคอปเปอรซัลเฟตเพื่อใหสารละลายอิ่มตัว สาร
อิเล็กโตรดสังกะสีประกอบดวย โลหะสังกะสี( B ) ลอยอยูในสารละลายสังกะสีซัลเฟตที่เจือจางไกลๆ
สวนบนของเซลล เหนือสารละลายคอปเปอรซัลเฟตซึ่งมีความหนาแนนมากกวา เมื่อโลหะสังกะสีและ
ทองแดงเชื่อมตอกันดวยลวด อิเล็กตรอนจะไหลผานเสนลวดจากสังกะสีซึ่งถูกออกซิไดซงายกวาไปยัง
- 13. 13
ทองแดงซึ่งออกซิไดซยากกวา สังกะสีจะถูกออกซไดซกลายเปน Zn2+ ในสารละลาย ในขณะเดียวกัน
Cu2+ จะถูกรีดวซเปนทองแดง ดังสมการ
ิ
Anode : Zn Zn2+ + 2e-
Cathode : Cu2+ + 2e- Cu
ปฏิกิริยาสุทธิ Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu
ถาความเขมขนของ Zn2+ เพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก ( anode ) จะเลื่อนไปทางซาย เปนผลให
ศักยไฟฟาของเซลลลดลง เซลลที่ใชหลักการเดียวกับดาเนียลเซลล แตใชแคดเมียมและนิเกิลแทน
สังกะสีและทองแดงใชกันมากในแบตเตอรี่ เพราะมีอายุการใชงานที่นานกวา
2. เซลลทุติยภูมSecondary Galvanic Cell
ิ
เปนเซลลที่สารซึ่งเปนสวนประกอบของเซลลสามารถทํากลับใหอยูในสภาพเดิมไดอีกโดยให
กระแสไฟฟาไหลผานในทิศทางตรงกันขามกับการจายไฟ (Discharge) วิธีการนี้เปนการใหประจุใหม
แกเซลล เซลลชนิดนี้ไดแก แบตเตอรี่ตะกัว และแบตเตอรี่แบบเอดิสันเปนตน
่
2.1 แบตเตอรีสะสมไฟฟาแบบตะกั่ว (lead storage battery)
่
แบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบตะกัวจะ ประกอบดวยอิเล็กโตรสองอันซึ่งเปนแผนตะกัว และแผน
่ ่
เลด(IV) ออกไซด มีกรดซัลฟุริกเจือจางเปนอิเล็กโตรไลต เมื่อมีการจายไฟฟา แผนตะกัวจะถูกออกซิ
่
ไดสเปนเลด (II) ไอออน และทําหนาทีเ่ ปนขั้วลบ ดังรูป 2
Pb(s) Pb2+(aq) + 2e-
เลด(II) ไอออนจะรวมตัวกับชัลเฟตไอออนเปนเลด(II) ซัลเฟต
Pb2+(aq) + SO42- (aq) PbSO4(s)
รูปที่2 สวนประกอบของแบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบตะกั่ว
เมื่อรวมสมการทั้งสองเขาดวยกัน ก็จะเปนปฏิกิริยาครึ่งเซลลที่มีการเกิดออกซิเดชัน
Pb(s) + SO42- (aq) PbSO4(s) + 2e-
อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วลบตามเสนลวดไปยังอิเล็กโตรดอีกอันหนึ่งที่เปนเลด(IV) ออกไซด ซึ่งมี
ไฮโดรเจนไอออนจากอิเล็กโตรไลตและจะถูกรีดิวซืดังสมการ
PbO2(s) + 4H+(aq) + 2e- Pb2+(aq) + 2H2O
และ Pb2+ จะรวมตัวกับ SO2-4 ที่มีในสารละลาย
Pb2+(aq) + SO2-4(aq) PbSO4 (s)
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่เลด (IV) ออกไซดจึงเปนปฏิกิริยาครึ่งเซลลที่มีการเกิดรีดักชัน
PbO2(s) + 4H+(aq) + SO2-4(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O
- 14. 14
การจายไฟฟาที่เกิดขึ้นจากทังสองอิเล็กโตรดอาจสรุปไดดังนี้
้
ขั้วลบ : Pb(s) + SO2-4(aq) PbSO4(s) + 2e-
ขั้วบวก : PbO2(s) + 4H+(aq) + SO2-4(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O
ปฏิกิริยาสุทธิ : Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2SO2-4(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O
ปฏิกิริยาของเชลลขางบนเปนแบบผันกลับได เพราะฉะนันถาตองการใหผันกลับก็จําเปน
้
จะตองมีการอัดไฟฟา โดยการตอขั้วบวกของเซลลกับขั้วบวกของเครื่องอัดไฟฟาและขั้วลบกับขั้วลบ
ของเครื่องอัดไฟฟา ปฏิกิริยาสุทธิขางบนก็จะเปลียนทิศทางเปนจากขวาไปซาย ในลักษณะนีเ้ ลด(II)
่
ซัลเฟตที่ขั้วลบก็จะเปลียนเปนตะกัว สวนอีกขั้วหนึ่ง เลด(II) ซัลเฟตจะเปลี่ยนเปนเลด (IV) ออกไซด
่ ่
ตามปฏิกิริยาของแบตเตอรี่สะสมแบบตะกัวจะเห็นวาในขณะที่มีการจายไฟฟา ความเขมขนของกรด
่
จะลดลงเรื่อยๆ ตามปกติตอนที่มีศักย ไฟฟาเต็มที่จะมีความถวงจําเพาะ ประมาณ 1.25 ถึง 1.30 แลวแต
อุณหภูมิในขณะนันๆ ถาหากเมื่อใดมีความถวงจําเพาะต่ากวา 1.20 ที่อุณหภูมิของหองก็ควรจะมีการ
้ ํ
อัดไฟฟาได แตละเซลลของแบตเตอรี่จะมีศักยไฟฟาประมาณ 2 โวลต เพราะฉะนันถารถยนตใช
้
แบตเตอรี่ 12 โวลตก็จะตองประกอบดวย 6 เซลล
ภาพประกอบของแบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบตะกัว
่
2.2 แบตเตอรีสะสมไฟฟาแบบเอดิสัน (Edison storage battery)
่
แบตเตอรี่แบบนี้ประกอบแผนเหล็กกลา บรรจุผงเหล็กละเอียดสวนนี้ทาหนาที่เปนขัวลบ
ํ ้
สําหรับขั้วบวกเปนแผนเหล็กกลาบรรจุดวยนิเกิล(IV) ออกไซดไฮเดรต สวนอิเล็กโตรไลตเปน
สารละลายที่มีโพแทสเซียมไฮดรอกไซด 21% ผสมลิเที่ยมไฮดรอกไซดเล็กนอย เมื่อมีการจายไฟฟา
ปฏิกิริยาครึ่งเซลลเกิดขึ้นดังนี้
ขั้วลบ : Fe(s) + 2OH-(aq) Fe(OH)2(s) + 2e-
ขั้วบวก : NiO2(s) + 2H2O + 2e- Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq)
ปฏิกิริยาสุทธิ : Fe(s) + NiO2(s) + 2H2O Fe(OH)2(s) + Ni(OH)2(S)
- 15. 15
เมื่อมีการอัดไฟฟา ปฏิกิริยาจะเปลี่ยนทิศทางจากขวาไปซาย ศักยไฟฟาของแตละเซลลของ
แบตเตอรี่แบบเอดิสัน มีคาประมาณ 1.4 โวลต
ถาใชผงแคดเมียมมาแทนผงเหล็กจะเปนแบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบนิกเกิล-แคดเมียม ซึ่งมี
ศักยไฟฟาประมาณ 1.3 โวลต และมีปฏิกิรยาครึ่งเซลล พอสรุปไดดังนี้
ิ
ขั้วลบ : Cd(s) + 2OH-(aq) Cd(OH)2(s) + 2e-
ขั้วบวก: NiO2(s) + 2H2O + 2e- Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq)
ปฏิกิริยาสุทธิ : Cd(s) + NiO2(s) + 2H2O Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)
แบตเตอรี่ทั้งสองแบบที่กลาวถึงในหัวขอที่ 2. มีขอดีคือ สามารถเก็บไวนานๆไดโดยไมเสื่อมคุณภาพ
ใหศักยไฟฟาคอนขางคงที่ ใชกับอุปกรณวัดแสงในการถายรูป เครื่องคิดเลข และอืนๆ
่
ประโยชนของเซลลอิเล็กโทรไลต
1. การชุบโลหะ
หลักการทั่วไปสําหรับการชุบโลหะดวยไฟฟา
1. ใชโลหะทีจะชุบเปนแคโทด
่
2. จะชุบดวยโลหะใดใชโลหะนันเปนแอโนด
้
3. สารละลายอิเล็กโทรไลต ตองมีไอออนของโลหะที่เปนแอโนด
4. ใชไฟฟากระแสตรง และควบคุมศักดิ์ไฟฟาของเซลลใหเหมาะสม
- 16. 16
2. การทําโลหะใหบริสุทธิ์
การทําโลหะใหบริสุทธิ์ดวยกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ใชหลักการเดียวกับกับการชุบดวย
ไฟฟา โดยใชโลหะที่บริสุทธิ์เปนแคโทด โลหะที่ไมบริสุทธิ์เปนแอโนด และใชสารละลายที่มี
ไอออนของโลหะดังกลาวเปนอิเล็กโทรไลต เชนการทําทองแดงใหบริสุทธิ์
โดยทัวๆไปจะไดทองแดงจากการถลุงแร ซึ่งจะมีความบริสทธิ์ไมเกิน 99% ที่เหลือจะเปน
่ ุ
พวกสิ่งเจือปนตาง ๆ เชน Fe Ag Au Pt และ Zn ถาใชกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสเขาชวย จะได
ทองแดงที่มีความบริสุทธิ์ถึง 99.95% ในอุตสาหกรรมจะสรางเซลลดังนี้
การผุกรอนของโลหะและการปองกัน
การผุกรอนของโลหะที่พบบอยในชีวิตประจําวันไดแก เหล็กเปนสนิม (สนิมเหล็กเปน
ออกไซดของเหล็ก Fe2O3.xH2O) ซึ่งเกิดจากสาเหตุหลายประการ ตัวอยางเชน การที่อะตอมของโลหะ
ที่ถูกออกซิไดสแลวรวมตัวกับออกซิเจนในอากาศเกิดเปนออกไซดของโลหะนั้น เชน สนิมเหล็ก
(Fe2O3) สนิมทองแดง (CuO) หรือสนิมอลูมิเนียม(Al2O3) การเกิดสนิมมีกระบวนการซับซอนมากและ
มีลักษณะเฉพาะตัวดังนี้
1. การผุกรอนของโลหะ คือปฏิกิริยาเคมีทเี่ กิดระหวางโลหะกับภาวะแวดลอม
2. ภาวะแวดลอมที่ทําใหผุกรอน คือ ความชื้น และออกซิเจน(H2O, O2) หรือ H2O กับอากาศ
3. ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดในการผุกรอน เปนปฏิกิริยารีดอกซ
3.1 โลหะที่เกิดปฏิกิริยา Oxidation (ใหอเิ ล็กตรอน)
3.2 ภาวะแวดลอมเปนฝายรับอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิริยา Reduction
4. สมการแสดงปฏิกิริยาการผุกรอน (เกิดจากการทดลอง)
โลหะ + ภาวะแวดลอม Ion ของโลหะ + เบส
Fe (s) + H2O (l) + O2 (g) Fe2+ (aq) + OH- (aq)
Fe2+ ทดสอบโดยใชสารละลาย K3Fe(CN)6 จะไดสน้ําเงิน ถาสีน้ําเงินเขม แสดงวามี Fe2+ มาก
ี
ถาจางมี Fe2+ นอย เบส(OH-) ทดสอบโดยสารละลายฟนอลฟทาลีน ไดสีชมพู
- 17. 17
5. ในการ Balance สมการ เมื่อเหล็กสัมผัสกับอากาศและความชื้น อะตอมของเหล็กจะเกิด
oxidation reaction ดังสมการ
Fe (s) Fe2+ (aq) + 2e ……………….(1) Oxidation
น้ําและออกซิเจนรับอิเล็กตรอนจากเหล็ก ดังสมการ
2H2O (l) + O2 (g) + 4e 4OH- (aq) …………..…..(2) Reduction
(1) * 2 + (2) ; 2Fe + 2H2O + O2 2Fe2+ + 4OH- ……………... (3) Redox
การปองกันสนิมเหล็ก
1. ทาสี ทาน้ํามัน การรมดํา และการเคลือบพลาสติก เปนการปองกันการถูกกับ O2 และความชืน ้
ซึ่งเปนการปองกันการเกิดสนิมของโลหะไดและเปนวิธที่สะดวกและใหผลดีในการปองกันสนิม
ี
2. โลหะบางชนิดมีสมบัติพิเศษ กลาวคือเมื่อทําปฏิกิริยากับออกซิเจนจะเกิดเปนออกไซดของ
โลหะเคลือบอยูบนผิวของโลหะนั้นและไมเกิดการผุกรอนอีกตอไป โลหะที่มีสมบัติดังกลาวไดแก
อลูมิเนียม ดีบุก และสังกะสี การชุบ หรือเคลือบโดยโลหะที่ Oxide ของโลหะนั้นคงตัว สลายตัวยาก
จะเปนผิวบางๆ คลุมผิวโลหะอีกที ไดแก Cr (โครเมียม) และอลูมิเนียม(Al) เปนตน ดังนั้น
Cr2O3.Al2O3 สลายตัวยาก เรียกชื่อวาวิธี อะโนไดซ (Anodize)
หมายเหตุ เหล็กกลาไมเกิดสนิม (stainless steel) เกิดจาก Fe ผสม Cr
3. การผุกรอนของโลหะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเชนเดียวกับแอโนดในเซลลอิเล็กโทรไลต ดังนั้นถา
ไมตองการใหเกิดการผุกรอนจึงตองใหโลหะนั้นมีสภาวะเปนแคโทดหรือคลายกับแคโทด โดยใช
โลหะที่เสีย อิเล็กตรอนงายกวาเหล็กไปอยูกับเหล็ก ไดแก Fe ชุบ Zn สําหรับมุงหลังคา การฝงถุง Mg
ตามทอ หรือการผูก Mg ตามโครงเรือ จะทําให Fe ผุชาลง เนื่องจาก Zn & Mg เสีย e งายกวา Fe จะเสีย
e แทน Fe เรียกชื่อวิธี แคโธดิก (Cathodic)
- 18. 18
4. การปองกันการผุกรอนของโลหะในระบบหลอเย็นแบบปด
เครื่องยนตที่ใชในรถยนตหรือเครื่องมือผลิตกระแสไฟฟาจะใชระบบหลอเย็นแบบปดเพื่อ
รักษาอุณหภูมของเครื่องยนตไมใหสูงมากเกินไป สารหลอเย็นที่ใชคือน้ําซึ่งมีออกซิเจนละลายอยู ถา
ิ
เครื่องยนตมีโลหะผสมของอลูมิเนียม ออกซิเจนที่ละลายอยูในน้ําจะถูกใชในการสรางฟลมอลูมิเนียม
ออกไซด และฟลมนี้จะปองกันการผุกรอนเครื่องยนตได แตถาเครื่องยนตมีสวนประกอบที่เปนโลหะ
ผสมของเหล็ก สวนประกอบของเครื่องยนตที่สัมผัสกับน้ําจะเกิดการผุกรอนได เนื่องจากออกไซดของ
เหล็กไมมีสมบัติในการเปนสารเคลือบผิว จึงตองเติมสารยับยั้งการกัดกรอนซึ่งประกอบดวย
สารประกอบของไนไตรตโบแรกซ สารนี้จะทําใหน้ําในระบบหลอเย็นมี pH สูงกวา 8.5 และทําให
โลหะที่เปนสวนประกอบของเครื่องยนตเกิดoxidation reactionไดยาก การผุกรอนของโลหะจึงลดลง
นอกจากนี้การใชระบบปดมีผลดีอีกประการหนึ่งคือเปนการจํากัดปริมาณของออกซอเจนที่ละลายลง
ไปในน้ําจึงทําใหการผุกรอนของโลหะลดลง
ความกาวหนาทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวของกับเซลลไฟฟาเคมี
1. การทําอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ําทะเล
อิเล็กโทรไดอะลิซิสเปนเซลลอิเล็กโทรไลตที่ใชแยกไอออนออกจากสารละลายโดยให
ไอออนเคลื่อนที่ผานเยื่อบางๆ ไปยังขั้วไฟฟาที่มีประจุตรงกันขามซึ่งอยูริมทั้งสองดานทําให
สารละลายสวนกลางมีความเขมขนไอออนลดลงจึงนําหลักการนี้ไปแยกไอออนของโซเดียมและคลอ
ไรดไอออนออกจากน้ําทะเลเพื่อผลิตน้ําจืดจากทะเลได
2. เซลลเชื้อเพลิง (fuel cell)
อีกวิธีหนึ่งทีใชเปลี่ยนพลังงานเคมีเปนพลังงานไฟฟาไดแก เซลลเชื้อเพลิง ซึ่งมีไดหลายแบบ
่
ขึ้นกับวาจะใชสารอะไรเปนเชื้อเพลิง เชน ออกซิเจน(จากอากาศ) และน้ํามันเชื้อเพลิง (fossil fuel) หรือ
ไฮโดรเจนและไฮดราซีน (hydrazine,N2H4) แตเชื้อเพลิงที่ใชกันมากไดแก H2 และ O2 ซึ่งใชกันในยาน
- 19. 19
อวกาศ เพราะเชื้อเพลิงที่ใชยงจรวดเปนเชื้อเพลิงชนิดเดียวกัน เซลลเชื้อเพลิงH2 - O2 แสดงในรูป ซึ่ง
ิ
แบงไดเปนสามหอง คือหองทางซายเปนทางเขาของ H2 และหองทางขวาซึ่งเปนทางเขาของO2 และ
หองที่มีตําแหนงอยูกลางบรรจุอิเล็กโตรไลตซึ่งเปนสารละลายเบส หองทั้งสามแยกออกจากกันดวย
ขั้วไฟฟาที่มีลกษณะพรุน (porous electrode) ที่ทําดวยวัตถุตัวนํา เชน คารบอนผสมดวยแพลตินัม
ั
เล็กนอย เพื่อทําหนาที่เปนตัวเรง เมื่อปอน H2 และ O2 เขาทางหองทางซายและทางขวาพรอมกัน แกส
ทั้งสองจะแพรผานไปยังขั้วไฟฟา และทําปฏิกิริยากับอิเล็กโตรไลตในหองกลาง ออกซิเจนถูกรีดวซที่
ิ
คาโทดเกิดเปน OH- ดังนี้
Cathode : O2(g) + 2H2O(l) + 4e- 4OH-(aq)
OH-จะซึมผานไปยังแอโนด และทําปฏิกิริยากับ H2 ดังนี้
Anode : H2(g) + 2OH-(aq) 2H2O(I)+2e-
ปฏิกิริยาสุทธิของเซลลคือ การเปลี่ยน H2 (g)และ O2(g) เปนน้ํานั่นเอง
2H2(g) + O2(g) 2H2O(I)
โดยปกติจะใชอุณหภูมิสูงพอ เพื่อน้ําที่ไดสามารถระเหยออกจากเซลล และควบแนนเปนน้ํา
ดื่มสําหรับมนุษยอวกาศ ถานําเชื้อเพลิงหลายๆเซลลมาตอเขาดวยกัน จะสามารถผลิตกระแสไฟฟาได
หลายๆกิโลวัตต เซลลเชื้อเพลิงมีขอดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับเซลลแหงหรือเซลลสะสมตะกั่ว
เชนสามารถปอนเชื้อเพลิงตลอดเวลา จึงไดเกิดพลังงานขึ้นอยางไมมีที่สิ้นสุดและมีประสิทธิภาพสูง
กวา นอกจากนี้แลว เซลลเชื้อเพลิงสามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีเปนพลังงานไฟฟาไดโดยตรง โดยไมมี
ผลิตผลพลอยไดที่ไมพึงปรารถนาอยางอื่น (การผลิตกระแสไฟฟาที่ใชกันในปจจุบนทั่วไปตองใช
ั
เชื้อเพลิงในการตมน้ําใหไดไอเพื่อนําไปหมุนกังหันที่ตอ) และยังมีประสิทธิภาพสูงกวา (เซลล
เชื้อเพลิงอาจมีประสิทธิภาพมากกวา 80% เปรียบเทียบกับเครื่องกําเนิดไฟฟากังหันไอน้ํา ซึ่งทั่วไปสูง
เพียงประมาณ 40% เทานั้น)เซลลเชื้อเพลิงจึงอาจเปนแหลงพลังงานที่สําคัญในอนาคต
ภาพของเซลลเชื้อเพลิง