เอกสารให้ความรู้ ไฟฟ้าเคมี

1. ปฏิกิริยารีดอก เคมีไฟฟ้า Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. โดย นางสาวกาญจนา บุนนาค กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์

2. เคมีไฟฟ้า กระบวนการทางเคมีไฟฟ้า (electrochemical process) หมายถึงปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระหว่างพลังงานไฟฟ้าและพลังงานเคมี ซึ่งมี 2 ประเภท คือ spontaneous process เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นได้เอง และ มีการ ปลดปล่อยพลังงานไฟฟ้าออกมาจากปฏิกิริยา non- spontaneous process เป็นกระบวนการที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เองและต้องมีการให้พลังงานไฟฟ้าเพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยา

3. ปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานไฟฟ้าและเคมีจะเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทอิเล็กตรอนของสารเคมีที่เรียกว่า ปฏิกิริยารีดอกซ์ ( redox reaction) โดยสารที่รับอิเล็กตรอนในปฏิกิริยา เรียกว่า ตัวออกซิไดซ์ (oxid izing agent) และ สารให้อิเล็กตรอนเรียกว่า ตัวรีดิวซ์ (reducing agent) Oxidation half-reaction (lose e - ) Reduction half-reaction (gain e - ) 2Mg ( s ) + O 2 ( g ) 2MgO ( s ) 0 0 2+ 2- oxidant reductant เลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้น เลขออกซิเดชันลดลง 2Mg 2Mg 2+ + 4e - O 2 + 4e - 2O 2-

4. เลขออกซิเดชัน ประจุสมมุติบนอะตอมของธาต ุ ในสารประกอบหรือไอออน เมื่อคิดว่าสารประกอบหรือไอออนนั้นเป็นไอออนิก คือ มีการถ่ายเทอิเล็กตรอนระหว่างธาตุอย่างสมบูรณ์ ธาตุอิสระมีเลขออกซิเดชันเป็น ศูนย์ Na, Be, K, Pb, H 2 , O 2 , P 4 = 0 ไอออนของธาตุอะตอมเดียวมีเลขออกซิเดชันเท่ากับประจุ Li + , Li = +1 ; Fe 3+ , Fe = +3 ; O 2- , O = -2 โลหะหมู่ IA มีเลขออกซิเดชันเป็น +1 , โลหะหมู่ IIA มีเลขออกซิเดชันเป็น +2 และฟ ลู ออรีนเป็น – 1 เสมอ

5. ไฮโดรเจนมีเลขออกซิเดชันเป็น +1 ยกเว้น เมื่อเป็นสารประกอบไฮไดรด์ของโลหะซึ่งมีเลขออกซิเดชันเป็น – 1 . ผลรวมของเลขออกซิเดชันของธาตุทุกตัวในโมเลกุลเป็นศูนย์ หรือ เท่ากับประจุของไอออน HCO 3 - O = -2 H = +1 3x( -2 ) + 1 + ? = -1 C = +4 โดยปกติออกซิเจนอะตอมมีเลขออกซิเดชันเป็น – 2 แต่ออกซิเจนใน H 2 O 2 และ O 2 2- เป็น – 1 เลขออกซิเดชันของ C ใน HCO 3 - เป็นเท่าไร ?

6. การดุลปฏิกิริยารีดอกซ์ เขียนปฏิกิริยาที่ยังไม่ดุล ดุลปฏิกิริยาออกซิเดชันของ Fe 2+ เป็น Fe 3+ โดย Cr 2 O 7 2- ในสารละลายกรด แยกเขียนครึ่งปฏิกิริยา Oxidation: Reduction: ดุลอะตอมของธาตุที่ไม่ใช่ O และ H ในแต่ละครึ่งปฏิกิริยา Fe 2+ + Cr 2 O 7 2- Fe 3+ + Cr 3+ Cr 2 O 7 2- Cr 3+ +6 +3 Fe 2+ Fe 3+ +2 +3 Cr 2 O 7 2- 2Cr 3+

7. การดุลปฏิกิริยารีดอกซ์ ในกรดเติม H 2 O และ H + เพื่อดุล O และ H อะตอมตามลำดับ เติม e - เพื่อดุลประจุ ดุลจำนวนของอิเล็กตรอนที่ให้และรับ ให้เท่ากัน 14H + + Cr 2 O 7 2- 2Cr 3+ + 7H 2 O Fe 2+ Fe 3+ + 1e - 6e - + 14H + + Cr 2 O 7 2- 2Cr 3+ + 7H 2 O 6Fe 2+ 6Fe 3+ + 6e - 6e - + 14H + + Cr 2 O 7 2- 2Cr 3+ + 7H 2 O

8. การดุลปฏิกิริยารีดอกซ์ รวมครึ่งปฏิกิริยาทั้งสองเข้าด้วยกัน โดยจำนวน e - ต้องหักล้างกันหมด พอดี Oxidation: Reduction: ตรวจสอบจำนวนอะตอมและประจุทั้งสองข้างต้องดุล H: 14 = 7 x 2 Cr: 2 = 2 O: 7 = 7 Fe: 6 = 6 Charge: 14x1 – 2 + 6x2 = 24 = 6x3 + 2x3 6e - + 14H + + Cr 2 O 7 2- 2Cr 3+ + 7H 2 O 6Fe 2+ 6Fe 3+ + 6e - 14H + + Cr 2 O 7 2- + 6Fe 2+ 6Fe 3+ + 2Cr 3+ + 7H 2 O

9. การดุลปฏิกิริยารีดอกซ์ สำหรับปฏิกิริยาในเบสให้เติม OH - ใน ทั้งสองข้างของปฏิกิริยา ให้เท่ากับจำนวน H + ที่ มี อยู่ H: 7 x 2 = 14 Cr: 2 = 2 O: 7 + 7 = 14 Fe: 6 = 6 Charge: – 2 + 6 x 2 = 10 = 6x3 + 2x3 - 14 14OH - + 14H + + Cr 2 O 7 2- + 6Fe 2+ 6Fe 3+ + 2Cr 3+ + 7H 2 O + 14 OH - 14H 2 O + Cr 2 O 7 2- + 6Fe 2+ 6Fe 3+ + 2Cr 3+ + 7H 2 O + 14 OH - 7H 2 O + Cr 2 O 7 2- + 6Fe 2+ 6Fe 3+ + 2Cr 3+ + 14 OH -

10. การดุลสมการรีดอกซ์ 4.8 -1 +6 +3 3 CH 3 CH 2 O H + Cr 2 O 7 2- CH 3 COO H + Cr 3+ +3 3 2 4 ประจุ : -4 + 16 = +12 +12 H: 3x6 + 16 = 34 3x4 + 11x2 = 34 O: 3 + 2x7 = 17 3x2 + 11 = 17 ประจุ : -4 +12 - 16 = -4 H: 3x6 + 5x2 = 28 3x4 + 16 = 28 O: 3 + 2x7 + 5 = 22 3x2 + 16 = 22 -3 +4 3CH 3 CH 2 O H + 2Cr 2 O 7 2- + 16H + 3CH 3 COO H + 4Cr 3+ + 11H 2 O 3CH 3 CH 2 O H + 2Cr 2 O 7 2- + 5H 2 O 3CH 3 COO H + 4Cr 3+ + 16OH -

11. Balance the following equations: (a) H 2 O 2 + Fe 2+ Fe 3+ + H 2 O (in acidic solution) Oxidation: Fe 2+ Fe 3+ Reduction: H 2 O 2 H 2 O Balancing the second equation for O and H gives: 2H + + H 2 O 2 2H 2 O Balancing both equations for charge with electrons: Fe 2+ Fe 3+ + e - 2H + + H 2 O 2 + 2e - 2H 2 O Multiply the first half-reaction by 2 to equalize charge. Conbine both equations to give: 2 Fe 3+ + 2H + + H 2 O 2 2Fe 3+ + 2H 2 O

12. Balancing both equations for O and H gives: CN - + H 2 O CNO - + 2H + MnO 4 - + 4H + MnO 2 + 2H 2 O Balancing both equations for charges CN - + H 2 O CNO - + 2H + + 2e- MnO 4 - + 4H + + 3e - MnO 2 + 2H 2 O 2MnO 4 - + 3CN - + H 2 O 2MnO 2 + 3CNO - + 2OH - We obtain: 3CN - + 3H 2 O 3CNO - + 6H + 2MnO 4 - + 8H + 2MnO 2 + 4H 2 O 2MnO 4 - + 3CN - + 2H + 2MnO 2 + 3CNO - + H 2 O (b) CN - + MnO 4 - CNO - + MnO 2 (in basic solution) Oxidation: CN - CNO - Reduction: MnO 4 - MnO 2

13. 4.4

14. เซลล์ไฟฟ้าเคมี spontaneous redox reaction anode oxidation cathode reduction

15. เซลล์ไฟฟ้าเคมี ความต่างศักย์ระหว่างแอโนดและแคโทดเรียกว่า cell voltage electromotive force (emf) cell potential แผนภาพเซลล์ [Cu 2+ ] = 1 M & [Zn 2+ ] = 1 M Zn ( s ) | Zn 2+ (1 M ) || Cu 2+ (1 M ) | Cu ( s ) anode cathode Zn ( s ) + Cu 2+ ( aq ) Cu ( s ) + Zn 2+ ( aq )

16. ความต่างศักย์ของเซลล์ไฟฟ้าเคมี Zn ( s ) | Zn 2+ (1 M ) || H + (1 M ) | H 2 (1 atm) | Pt ( s ) 2e - + 2H + (1 M ) H 2 (1 atm ) Zn ( s ) Zn 2+ (1 M ) + 2e - Anode (oxidation): Cathode (reduction): Zn ( s ) + 2H + (1 M ) Zn 2+ + H 2 (1 atm )

17. ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน Standard reduction potential (E 0 ) เป็นศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยารีดักชันที่ขั้วอิเล็กโทรด ณ ความเข้มข้นสารเป็น 1 M และความดันแก๊สเป็น 1 atm E 0 = 0 V Standard Hydrogen Electrode (SHE) ปฏิกิริยารีดักชันของโปรตอน 2e - + 2H + (1 M ) H 2 (1 atm )

18. ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน Zn ( s ) | Zn 2+ (1 M ) || H + (1 M ) | H 2 (1 atm) | Pt ( s ) E 0 = 0.76 V cell Standard emf (E 0 ) cell 0.76 V = 0 - E zn /Zn 0 2+ E Zn /Zn = -0.76 V 0 2+ Zn 2+ (1 M ) + 2e - Zn E 0 = -0.76 V E 0 = E H /H - E Zn /Zn cell 0 0 + 2+ 2 E 0 = E cathode - E anode cell 0 0

19. ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน Pt ( s ) | H 2 (1 atm ) | H + (1 M ) || Cu 2+ (1 M ) | Cu ( s ) Anode (oxidation): Cathode (reduction): 2e - + Cu 2+ (1 M ) Cu (s) H 2 (1 atm ) 2H + (1 M ) + 2e - H 2 (1 atm ) + Cu 2+ (1 M ) Cu ( s ) + 2H + (1 M ) E 0 = E cathode - E anode cell 0 0 E 0 = 0.34 V cell E cell = E Cu /Cu – E H /H 2+ + 2 0 0 0 0.34 = E Cu /Cu - 0 0 2+ E Cu /Cu = 0.34 V 2+ 0

20. ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน E 0 เป็นค่าเฉพาะปฏิกิริยาตามที่เขียน ค่า E 0 เป็นบวกมากแสดงว่าปฏิกิริยารีดักชันนั้นเกิดได้ง่าย ครึ่งปฏิกิริยาเหล่านี้ผันกลับได้ สำหรับปฏิกิริยาย้อนกลับ ให้ กลับ เครื่องหมายหน้าค่า E 0 เมื่อคูณสัมประสิทธิ์ในปฏิกิริยาด้วยตัวเลขใดๆ ค่า E 0 ไม่เปลี่ยน

21. เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ประกอบด้วย Cd electrode ในสารละลาย 1.0 M Cd(NO 3 ) 2 และ Cr electrode ในสารละลาย 1.0 M Cr(NO 3 ) 3 มีค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานเป็นเท่าไร ? Cd is the stronger oxidizer Cd will oxidize Cr Anode (oxidation): Cathode (reduction): x 2 x 3 Cd 2+ ( aq ) + 2e - Cd ( s ) E 0 = -0.40 V Cr 3+ ( aq ) + 3e - Cr ( s ) E 0 = -0.74 V 2e - + Cd 2+ (1 M ) Cd (s) Cr (s) Cr 3+ (1 M ) + 3e - 2Cr ( s ) + 3Cd 2+ (1 M ) 3Cd ( s ) + 2Cr 3+ (1 M ) E 0 = E cathode - E anode cell 0 0 E 0 = -0.40 – (-0.74) cell E 0 = 0.34 V cell

22. การเกิดขึ้นได้เองของปฏิกิริยารีดอกซ์  G = - nFE cell n = จำนวนโมลของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา = 96,500 C/mol  G 0 = - RT ln K  G 0 = - nFE cell 0 F = 96,500 J V • mol = - nFE cell 0 E cell 0 = RT nF ln K (8.314 J/K •mol)(298 K) n (96,500 J/V •mol) ln K = = 0.0257 V n ln K E cell 0 = 0.0592 V n log K E cell 0

23. ความสัมพันธ์ระหว่าง  G°, E° และ K ที่สภาวะมาตรฐาน

24. Oxidation: Reduction: หาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาต่อไปนี้ที่ 25 0 C Fe 2+ ( aq ) + 2Ag ( s ) Fe ( s ) + 2Ag + ( aq ) n = 2 K = 1.23 x 10 -42 2e - + Fe 2+ Fe 2Ag 2Ag + + 2e - = 0.0257 V n ln K E cell 0 E 0 = -0.44 – (0.80) E 0 = -1.24 V 0.0257 V x n E 0 cell exp K = 0.0257 V x 2 -1.24 V = exp E 0 = E Fe /Fe – E Ag /Ag 0 0 2+ +

25. ผลของความเข้มข้นต่อค่าความต่างศักย์ของเซลล์ไฟฟ้า  G =  G 0 + RT ln Q  G = - nFE - nFE = - nFE 0 + RT ln Q Nernst equation ที่อุณหภูมิ 298  G 0 = - nFE 0 E = E 0 - ln Q RT nF - 0.0257 V n ln Q E 0 E = - 0.0592 V n log Q E 0 E =

26. ปฏิกิริยาต่อไปนี้เกิดขึ้นเองได้หรือไม่ที่อุณหภูมิ 25 0 C เมื่อ [Fe 2+ ] = 0.60 M และ [Cd 2+ ] = 0.010 M ? Fe 2+ ( aq ) + Cd ( s ) Fe ( s ) + Cd 2+ ( aq ) Oxidation: Reduction: n = 2 E = 0.013 E > 0 Spontaneous 2e - + Fe 2+ 2Fe Cd Cd 2+ + 2e - E 0 = -0.44 – (-0.40) E 0 = -0.04 V E 0 = E Fe /Fe – E Cd /Cd 0 0 2+ 2+ - 0.0257 V n ln Q E 0 E = - 0.0257 V 2 ln -0.04 V E = 0.010 0.60

27. แบทเทอรี่ Anode: Cathode: Leclanch é cell Dry cell Zn (s) Zn 2+ ( aq ) + 2e - 2NH 4 ( aq ) + 2MnO 2 ( s ) + 2e - Mn 2 O 3 ( s ) + 2NH 3 ( aq ) + H 2 O ( l ) + Zn ( s ) + 2NH + 4 ( aq ) + 2MnO 2 ( s ) Zn 2+ ( aq ) + 2NH 3 ( aq ) + H 2 O ( l ) + Mn 2 O 3 ( s )

28. แบทเทอรี่ Anode: Cathode: Mercury Battery Zn(Hg) + 2OH - ( aq ) ZnO ( s ) + H 2 O ( l ) + 2e - HgO ( s ) + H 2 O ( l ) + 2e - Hg ( l ) + 2OH - ( aq ) Zn(Hg) + HgO ( s ) ZnO ( s ) + Hg ( l )

29. แบทเทอรี่ Anode: Cathode: Lead storage battery PbO 2 ( s ) + 4H + ( aq ) + SO 2- (aq ) + 2e - PbSO 4 ( s ) + 2H 2 O ( l ) 4 Pb (s) + SO 2- ( aq ) PbSO 4 ( s ) + 2e - 4 Pb ( s ) + PbO 2 ( s ) + 4H + ( aq ) + 2SO 2- ( aq ) 2PbSO 4 ( s ) + 2H 2 O ( l ) 4

30. แบทเทอรี่ Solid State Lithium Battery

31. แบทเทอรี่ fuel cell เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมี ของปฏิกิริยาการเผาไหม้ ซึ่งมีการเติมรีเอเจนต์ตลอดเวลาเพื่อให้เซลล์ทำงาน Anode: Cathode: O 2 ( g ) + 2H 2 O ( l ) + 4e - 4OH - ( aq ) 2H 2 ( g ) + 4OH - ( aq ) 4H 2 O ( l ) + 4e - 2H 2 ( g ) + O 2 ( g ) 2H 2 O ( l )

32. การผุกร่อน

33. การป้องกันการผุกร่อนของถังเหล็กโดยใช้ขั้ว Mg

34. Electrolysis เป็นกระบวนการทางเคมีที่ใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เอง

35. อิเลกโทรไลซิสของน้ำ

36. ปริมาณสารสัมพันธ์ในปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิส charge (C) = current (A) x time (s) 1 mole e - = 96,500 C

37. เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า 0.452 A เป็นเวลา 1.5 ชั่วโมง ลงในปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิสของ CaCl 2 จะ ทำ ให้เกิด Ca กี่กรัม ? Anode: Cathode: = 0.0126 mol Ca = 0.50 g Ca Ca 2+ ( l ) + 2e - Ca ( s ) 2Cl - ( l ) Cl 2 ( g ) + 2e - Ca 2+ ( l ) + 2Cl - ( l ) Ca ( s ) + Cl 2 ( g ) 2 mole e - = 1 mole Ca mol Ca = 0.452 C s x 1.5 hr x 3600 s hr 96,500 C 1 mol e - x 2 mol e - 1 mol Ca x