ไฟฟ้าเคมี

เซลล์ไฟฟ้าเคมี นำเสนอ โดย นาย ณภัทร คงทอง ว.3 เรื่อง เซลล์กัลวานิก

เซลล์ไฟฟ้าเคมี เซลล์ไฟฟ้าเกิดจากการประยุกต์ใช้ปฎิกิริยารีดอกซ์มาเป็นตัวจ่ายพลังงาน ซึ่งปฏิกิริยารีดอกซ์ คือ ปฏิกิริยาเคมี ที่มีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างสารตั้งต้นทำให้เลขออกซิเดชันมีการเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะทำให้มีอะตอมของธาตุบางตัวสูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอน จะเรียกปฏิกิริยาที่เกิดการเสียอิเล็กตรอนว่า ปฏิกิริยาออกซิเดชัน ( Oxidation ) และเรียกปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอนว่า ปฏิกิริยารีดักชัน ( Reduction ) ดังตัวอย่าง เซลล์ไฟฟ้าเคมี แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ 1 . เซลล์กัลวานิก ( galvanic cell ) หรือเซลล์โวลตาอิก ( voltaic cell ) 2 . เซลล์อิเล็กโทรไลต์ ( electrolytic cell )

เซลล์กัลวานิก (galvanic cell) คือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีหรือระบบที่ทำ หน้าที่เปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยภายในเซลล์เกิดปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากสารหนึ่งไปอีกสาร หนึ่ง ( ปฏิกิริยารีดอกซ์ ) โดยที่สารตั้งต้นไม่ได้สัมผัสกันโดยตรง ทำให้การไหลของอิเล็กตรอนผ่านตัวนำอย่างต่อเนื่อง จึงเกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร เซลล์กัลวานิก ประกอบด้วยสองครึ่งเซลล์ แต่ละครึ่งเซลล์มักประกอบด้วยโลหะ ซึ่งเป็นขั้วไฟฟ้าจุ่มอยู่ในสารละลายของไอออนของโลหะนั้น ทำหน้าที่เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ แต่ในบางครึ่งเซลล์ประกอบด้วยอโลหะกับอโลหะไอออน หรือไอออนสองชนิด กรณีนี้มักใช้ขั้วเฉื่อย เป็นขั้วไฟฟ้า เพราะอโลหะหรือไอออนไม่สามารถเป็นขั้วไฟฟ้าได้

เซลล์กัลวานิก เป็นเซลล์ไฟฟ้าที่สามารถผลิตไฟฟ้าให้เกิดขึ้นได้เองด้วยปฏิกิริยารีดอกซ์ ในการศึกษาปฏิกิริยารีดอกซ์ เราใช้แผ่นโลหะจุ่มในสารละลายโดยตรง แต่ในเซลล็ไฟฟ้าเคมี แผ่นโลหะที่จะเกิดปฏิกิริยากับสารละลาย จะอยู่ในภาชนะต่างกัน แล้วนำมาต่อเชื่อมกัน เชลล์ไฟฟ้าจึงประกอบด้วยภาชนะ 2 ใบ เรียกภาชนะแต่ละใบว่า ครึ่งเซลล์ ( Half Cell ) ครึ่งเซลล์ คือ แผ่นโลหะที่จุ่มในสารละลายของไอออนของโลหะนั้นหรือก๊าซที่พ่นลงในสารละลาย ของก๊าซนั้น แผ่นโลหะหรือก๊าซที่จุ่มอยู่ในสารละลายเรียกว่า ขั้วไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้าจะมี 3 ชนิด 1 . ขั้วไฟฟ้าโลหะ คือ แผ่นโลหะที่จุ่มในสารละลายของไอออนของโลหะนั้น ขั้วโลหะจะทำหน้าที่ เกิดปฏิกิริยาและนำอิเล็กตรอน 2 . ขั้วไฟฟ้าก๊าซ คือ ก๊าซที่พ่นลงไปในสารละลาย ก๊าซจะทำหน้าที่ในการเกิดปฏิกิริยา แต่นำอิเล็กตรอนไม่ได้ จึงต้องใช้ร่วมกับขั้วไฟฟ้าเฉื่อย 3 . ขั้วไฟฟ้าเฉื่อย เป็นขั้วไฟฟ้าที่ช่วยนำอิเล็กตรอน แต่ไม่มีส่วนร่วมในการเกิดปฏิกิริยาต้องใช้ร่วมกับขั้วไฟฟ้าก๊าซ ขั้วไฟฟ้าเฉื่อย เมื่อนำครึ่งเซลล์ที่ต่างกัน 2 ครึ่งเซลล์ มาต่อเชื่อมเข้าด้วยกัน โดยเชื่อมวงจรภายในด้วยสะพานไอออนและเชื่อมวงจรภายนอกด้วยตัวต้านทาน จะเกิดการไหลของอิเล็กตรอนขึ้น อิเล็กตรอนไหลไปทางใด เข็มโวลต์มิเตอร์จะเบนไปในทิศทางนั้น เซลล์กัลวานิกประกอบด้วยสองครึ่งเซลล์ โดยแต่ละครึ่งเซลล์จะประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าที่จุ่มลงไปในสารละลาย แท่งสังกะสีและแท่งทองแดงในเซลล์เป็นขั้วไฟฟ้าซึ่งเรียกว่า อิเล็กโทรด ( electrode ) ขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เรียกว่า ขั้วแอโนด ( anode ) และขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน เรียกว่า ขั้วแคโทด ( cathode )

ยกตัวอย่าง ปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นเมื่อนำแผ่นสังกะสีจุ่มลงในสารละลายของทองแดง หรือตัวรีดิวซ์จุ่มลงในตัวออกซิไดซ์โดยตรง ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทำให้เกิดพลังงานในรูปของความร้อน แต่ถ้าแยกตัวรีดิวซ์ออกจากตัวออกซิไดซ์ แล้วเชื่อมต่อวงจรภายนอกและสะพานเกลือ ( salt bridge ) อิเล็กตรอนก็จะถูกถ่ายโอนผ่านตัวกลางภายนอกจากขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยา ออกซิเดชันไปยังขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ เซลล์ไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีนี้เรียกว่าเซลล์กัลวานิก หรือเซลล์โวลตาอิก ( galvanic cell or voltaic cell ) ดังรูป เซลล์กัลวานิกประกอบด้วยสองครึ่งเซลล์ โดยแต่ละครึ่งเซลล์จะประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าที่จุ่มลงไปในสารละลาย แท่งสังกะสีและแท่งทองแดงในเซลล์เป็นขั้วไฟฟ้าซึ่งเรียกว่า อิเล็กโทรด ( electrode ) ขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เรียกว่า ขั้วแอโนด ( anode ) และขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน เรียกว่า ขั้วแคโทด ( cathode ) - ปฏิกิริยาออกซิเดชันที่แอโนด ( Zn ) Zn (s) -> Zn 2+ ( aq ) + 2e - - ปฏิกิริยารีดักชันที่แคโทด ( Cu ) Cu 2+ (aq) + 2e - -> Cu (s)

อธิบายได้ว่า ประจุที่สะสมจะทำให้ออกซิเดชันที่แคโทดและรีดักชันที่แอโนดเกิดยากขึ้น ระหว่างที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันขึ้นที่ขั้วแอโนด Zn จะค่อย ๆ กร่อนแล้วเกิดเป็น Zn 2+ ละลายลงมาในสารละลายที่มี Zn 2+ และ SO 4 2- ส่วนที่ขั้วแคโทด Cu 2+ จากสารละลายเกิดปฏิกิริยารีดักชันกลายเป็นอะตอมของทองแดงเกาะอยู่ที่ผิวของ ขั้วไฟฟ้า เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปจะพบว่าในครึ่งเซลล์ออกซิเดชันสารละลายจะมีประจุบวก ( Zn 2+ ) มากกว่าประจุลบ ( SO 4 2- ) และในครึ่งเซลล์รีดักชันสารละลายจะมีประจุลบ ( SO 4 2- ) มากกว่าประจุบวก ( Cu 2+ ) จึงเกิดความไม่สมดุลทางไฟฟ้าขึ้น ปัญหานี้สามารถที่จะแก้ไขได้โดยการใช้ สะพานเกลือ ( salt bridge ) เชื่อมต่อระหว่างสองครึ่งเซลล์ ซึ่งสะพานเกลือทำจากหลอดแก้วรูปตัวยู ภายในบรรจุอิเล็กโตรไลต์ที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารในเซลล์และมีไอออนบวก ไอออนลบเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกัน หรือทำจากกระดาษกรองชุบอิเล็กโตรไลต์ โดยสะพานเกลือทำหน้าที่เป็นตัวกลางที่เชื่อมต่อระหว่างครึ่งเซลล์ทั้งสอง และเป็นสิ่งที่ป้องกันการเกิดการสะสมของประจุโดยไอออนบวกจากสะพานเกลือจะ เคลื่อนที่ไปยังครึ่งเซลล์ที่มีประจุลบมาก ในทางตรงกันข้ามไอออนลบก็จะเคลื่อนที่ไปยังครึ่งเซลล์ที่มีประจุมาก จึงทำให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไปได้ในเวลาที่มากขึ้น และเนื่องจากครึ่งเซลล์ทั้งสองเชื่อมต่อกับวงจรภายนอก ครึ่งเซลล์ที่มีศักย์รีดักชันสูงกว่าจะเกิดรีดักชัน และครึ่งเซลล์ที่มีศักย์รีดักชันต่ำกว่าจะ ( ถูกบังคับให้ ) เกิดออกซิเดชัน ความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดนี้ เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้า ( electromotive force : emf ) และมีหน่วยเป็น โวลต์ ( volt )

ประเภทของเซลล์กัลวานิก เซลล์กัลวานิกจำแนกได้ 2 ประเภท คือ 1 . เซลล์ปฐมภูมิ หมายถึง เซลล์กัลวานิกที่ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ และทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับไม่ได้ หรือเป็นเซลล์ที่เมื่อใช้จนหมดแล้วไม่สามารถนำมาอัดไฟใหม่ได้ 2 . เซลล์ทุติยภูมิ หมายถึง เซลล์กัลวานิกที่ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เมื่อเกิดขึ้นแล้วสามารถทำให้เกิด ย้อนกลับได้อีก โดยการอัดไฟเข้าไปใหม่ หรือหมายถึงเซลล์ที่เมื่อใช้ไฟหมดแล้วสามารถนำมาอัดไฟใหม่ได้อีก

เซลล์ปฐมภูมิ 1 . ถ่านไฟฉายหรือเซลล์แห้งหรือเซลล์เลอคลังเช ประกอบด้วย กล่องสังกะสีเป็นขั้วแอโนด และมีแท่งคาร์บอนอยู่ตรงกลางเป็นแคโทด รอบ ๆ แท่งคาร์บอนมีแมงกานีส ( IV ) ออกไซด์ ผสมผงคาร์บอนโดยอัดติดกับแท่งคาร์บอน และรอบ ๆ แท่งคาร์บอนซึ่งหุ้มด้วยแมงกานีส ( IV ) ออกไซด์ผสมผงคาร์บอนมีสารละลายของแอมโมเนียคลอไรด์ซึ่งทำหน้าที่เป็นอิเล็ก โทรไลต์บรรจุอยู่ เนื่องจากสารละลายของแอมโมเนียคลอไรด์เป็นของรั่วได้ง่ายจึงผสมกาวลงไปด้วย ด้านนอกของกล่องอาจหุ้มด้วยกระดาษแข็งหรือโลหะ โดยทั่วไปเซลล์ปฐมภูมิชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้า 2 . เซลล์แอลคาไลน์ มีส่วนประกอบและหลักการเดียวกับถ่านไฟฉาย แต่ใช้สารละลาย KOH เป็นอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งมีสมบัติเป็นเบส เซลล์ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับเซลล์แห้งแต่ให้กระแสไฟฟ้าได้นานกว่า เนื่องจากน้ำและไฮดรอกไซด์ไอออนที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยา หมุนเวียนนกลับไปเป็น สารตั้งต้นของปฏิกิริยาได้อีก

3 . เซลล์ปรอท อาศัยหลักการเดียวกับเซลล์แอลคาไลน์ แต่ใช้เมอคิวรี ( II ) ออกไซด์แทนแมงกานีส ( IV ) ออกไซด์ เซลล์ปรอทให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.3 โวลต์ ให้กระแสไฟฟ้าต่ำ แต่มีข้อดีที่สามารถให้ศักย์ไฟฟ้าเกือบคงที่ตลอดอายุการใช้งาน นิยมใช้กันมากในเครื่องฟังเสียงสำหรับคนหูพิการ 4 . เซลล์เงิน มีส่วนประกอบเช่นเดียวกับเซลล์ปรอท แต่ใช้ซิลเวอร์ออกไซด์แทนเมอร์คิวรี ( II ) ออกไซด์ เซลล์เงินให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ มีขนาดเล็กและมีอายุการใช้งานได้นานมากแต่มีราคาแพง จึงใช้กับอุปกรณ์หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิด เช่น นาฬิกา เครื่องคิดเลข

เซลล์ทุติยภูมิ 1 . เซลล์นิกเกิล – แคดเมียม หรือเซลล์นิแคด มีโลหะเมียมเป็นแอโนด นิกเกิล ( IV ) ออกไซด์เป็นแคโทด และมีสารละลายเบสเป็นอิเล็กโทรไลต์ เซลล์นิแคดให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.4 โวลต์ เมื่อใช้งานจนศักย์ไฟฟ้าลดต่ำลงแล้วสามารถนำมาประจุไฟได้ใหม่ ปฏิกิริยาในระหว่างการประจุไฟจะเกิดย้อนกลับกับปฏิกิริยาการจ่ายไฟ เซลล์นิแคดจึงมีข้อดีที่สามารถใช้ได้เป็นระยะเวลานาน 2 . เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว ใช้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าในรถยนต์หรือจักรยานยนต์เรียกกันทั่วไปว่า แบตเตอรี่ ถึงแม้ว่าเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วจะอัดไฟใหม่ได้ แต่ก็มีการเสื่อมสภาพ เพราะ PbSO 4 ที่เกิดขึ้นที่ขั้วทั้งสองบางส่วนหลุดร่วงอยู่ที่ก้นภาชนะ ทำให้ขั้วทั้งสองสึกกร่อน และทำให้เสื่อมสภาพในที่สุด

แหล่งอ้างอิง 1.http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/electrochemistry/web/electrochem05.htm 2. http :// www . thaigoodview . com / node / 18795 3. http://school.obec.go.th/mrvilai/kindofgalvaniccell.htm 4. หนังสือเคมีสสวท . เล่ม 3

ไฟฟ้าเคมี

by ณภัทร คงทอง

Accessibility

Upload Details

Usage Rights

1 Embed 1

Statistics

ไฟฟ้าเคมี Presentation Transcript