ไฟฟ้าเคมี ปี 61

ประโยชน์ของเซลล์อเิ ล็กโทรไลต์ การชุบโลหะ หลักการของการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า คือ ต้องให้โลหะชนดิ หน่ึงมาเคลือบบนโลหะอีกชนิดหน่ึงท่ีอย่เู ป็ นแคโทด โดยจัด เซลล์ ดังนี ้ ขัว้ แอโนด: โลหะท่ีใช้ชุบ ขัว้ แคโทด: โลหะท่ีต้องการชุบ สารละลายอเิ ลก็ โทรไลต์: ไอออนของโลหะชนิดเดียวกบั โลหะ ท่ีเป็ นแอโนด หรือโลหะท่ใี ช้ชุบ ไฟฟ้า: กระแสตรง ขัว้ แอโนด: Ag: Ag(s) Ag +(aq) + e - ขัว้ แคโทด: ช้อน: Ag +(aq) + e - Ag(s)

การทดลอง 9.5 การชุบตะปูเหลก็ ดว้ ยสงั กะสี • จุดประสงค์การทดลอง • 1. ทาการทดลองชุบตะปูเหลก็ ดว้ ยสงั กะสีโดยใชก้ ระแสไฟฟ้า ได้ • 2. อธิบายหลกั การชุบตะปูเหลก็ ดว้ ยสงั กะสีโดยใชก้ ระแสไฟฟ้า และเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดข้ึนที่ข้วั ไฟฟ้าท้งั สองได้

ผลการทดลอง • มีสารสีเทาเงินมาเกาะที่ตะปูเหลก็ ส่วนที่จุ่มอยู่ ในสารละลายและแผน่ สงั กะสีส่วนท่ีจุ่มอยใู่ น สารละลายจะกร่อนสงั เกตเห็นผวิ ขรุขระ เลก็ นอ้ ย

คาถามท้ายการทดลอง 1. ข้วั โลหะท้งั สองมีการเปลี่ยนแปลงอยา่ งไร • 1.1 ท่ีแอโนด Zn(s) จะเสียอิเลก็ ตรอนเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชนั ทา ใหโ้ ลหะสงั กะสีกร่อนไปเกิด Zn2+ (aq) ละลายในสารละลาย • 1.2 ท่ีแคโทด Zn2+(aq) ในสารละลายจะรับอิเลก็ ตรอน เกิดปฏิกิริยารีดกั ชนั ไดโ้ ลหะสงั กะสีเกาะที่แคโทด • 2. จงเขียนสมการแสดงการเปลี่ยนแปลงที่ข้วั ไฟฟ้าท้งั สองและปฏิกิริยา ท่ีเกิดข้ึนภายในเซลล์ • ที่แอโนด Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- • ท่ีแคโทด Zn2+(aq) + 2e- Zn(s)

3. สารละลายอิเลก็ โทรไลตเ์ ปลี่ยนแปลงความเขม้ ขน้ หรือไม่อยา่ งไร สารละลายอิเลก็ โทรไลตไ์ ม่เปลี่ยนแปลงความเขม้ ขน้ เนื่องจากโลหะท่ี แอโนดจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชนั ไดไ้ อออนของโลหะละลายอยใู่ น สารละลาย 4. การชุบโลหะดว้ ยกระแสไฟฟ้ามีหลกั การจดั เซลลอ์ ยา่ งไร 4.1 จดั ส่ิงท่ีตอ้ งการชุบเป็นแคโทด 4.2 ตอ้ งการชุบดว้ ยโลหะใด ตอ้ งใชโ้ ลหะน้นั เป็นแอโนด 4.3 สารละลายอิเลก็ โทรไลตต์ อ้ งมีไอออนของโลหะท่ีเป็นแอโนด 4.4 ตอ้ งใชไ้ ฟฟ้ากระแสตรงเพือ่ ใหอ้ ิเลก็ ตรอนไหลไปทางเดียวกนั ตลอด

5. ถา้ ใชไ้ ฟฟ้ากระแสสลบั แทนไฟฟ้ากระแสตรงจะเกิดการเปล่ียนแปลง เหมือนหรือแตกต่างกนั อยา่ งไร ถา้ ใชไ้ ฟฟ้ากระแสสลบั จะทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนจะไหลไปในทิศทางตรงกนั ขา้ ม

สรุปผลการทดลอง 1. ท่ีแอโนด Zn(s) จะเสียอิเลก็ ตรอนเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชนั ทาใหโ้ ลหะสงั กะสีกร่อนไปเกิด Zn2+ ละลายในสารละลายดงั สมการ Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- 2. ที่แคโทด Zn2+(aq) ในสารละลายจะรับอิเลก็ ตรอน เกิดปฏิกิริยารีดกั ชนั ไดโ้ ลหะสงั กะสีเกาะท่ีแคโทด ดงั สมการ Zn2+(aq) + 2e- Zn(s)

หลกั การชุบโลหะดว้ ยกระแสไฟฟ้า 1. จดั สิ่งที่ตอ้ งการชุบเป็นแคโทด 2. ตอ้ งการชุบดว้ ยโลหะใด ตอ้ งใชโ้ ลหะน้นั เป็นแอโนด 3. สารละลายอิเลก็ โทรไลตต์ อ้ งมีไอออนของโลหะที่เป็น แอโนด 4. ตอ้ งใชไ้ ฟฟ้ากระแสตรงเพอ่ื ใหอ้ ิเลก็ ตรอนไหลไปทาง เดียวกนั ตลอด 5. ขณะชุบโลหะ ความเขม้ ขน้ ของสารละลายอิเลก็ โทรไลตไ์ ม่ เปล่ียนแปลงตราบใดท่ีข้วั แอโนดยงั ไม่กร่อนหมด

การชุบโลหะให้ผวิ เรียบและสวยงามขนึ้ อยู่กบั ปัจจยั ต่อไปนี้ 1. สารละลายอเิ ลก็ โทรไลต์ต้องมคี วามเข้มข้นเหมาะสม 2. กระแสไฟฟ้าทใ่ี ช้ต้องปรับค่าความต่างศักย์ให้มคี วาม เหมาะสมตามชนิดและขนาดของชิ้นโลหะทตี่ ้องการชุบ 3. โลหะทใ่ี ช้เป็ นแอโนดต้องบริสุทธ์ิ 4. ไม่ควรชุบนานเกนิ ไป

ประโยชน์ของเซลล์อเิ ล็กโทรไลต์ การทาทองแดงให้บริสุทธ์ิ จากโลหะท่ปี ระกอบด้วย Cu, Fe, Zn, Ag, Au, Pt CAatnhooddee - + CuSO4 + ทองแดงไม่บริสุทธ์ิ H2SO4 ทองแดงบริสุทธ์ิ กากตะกอน

การผุกร่อนของโลหะ O2(g) + 2H2O(l) + 4e- 4OH-(ag) Redox: 2Fe(s) + O2(g) + 2H2O(l) 2Fe2+(aq) + 4OH-(aq) 4Fe(OH)2(s) + O2(g) + 2H2O(l) Fe(OH)2(s) 4Fe(OH)3(s)

การผุกร่ อนของโลหะ • การเกดิ สนิมเหล็กเน่ืองจาก CO2 • CO2 ละลายนา้ แล้วเกิด H2CO3 ซ่งึ แตกตัวให้ H+ – Anode : Fe(s)  Fe2+(aq) + 2e- – Cathode : O2(g) + 4H+(aq) + 4e-  2H2O(l) – 4Fe2+(aq) + O2(g) + (4+2n)H2O(l)  2Fe2O3.nH2O(s) + 8H+(aq)

การป้องกนั การผุกร่อน 1. ทาสี ทานา้ มนั การรมดา และการเคลือบพลาสตกิ เป็ นการป้องกนั การถูกกับ O2 และความชืน้ 2. ทาการชุบด้วยโลหะ โลหะบางชนิดมสี มบัตพิ เิ ศษ กล่าวคือเม่ือทาปฏกิ ิริยากับออกซเิ จนจะ เกดิ เป็ นออกไซด์ของโลหะเคลือบอยู่บนผิวของโลหะนัน้ และไม่เกดิ การ ผุกร่อนอีกต่อไป โลหะท่มี ีสมบัตดิ งั กล่าวได้แก่ อลูมิเนียม ดบี ุก และ สังกะสี การชุบ หรือเคลอื บโดยโลหะท่ี Oxide ของโลหะนัน้ คงตัว สลายตัวยาก จะเป็ นผิวบางๆ คลุมผิวโลหะอีกที ได้แก่ Cr (โครเมียม) และอลูมเิ นียม(Al) เป็ นต้น ดังนัน้ Cr2O3.Al2O3 สลายตวั ยาก เรียกช่ือว่า วธิ ี อะโนไดซ์ (Anodize) • หมายเหตุ เหล็กกล้าไม่เกดิ สนิม (stainless steel) เป็ น Fe ผสม Cr

การป้ องกันการผุกร่ อน 3. วิธีแคโทดกิ (Cathodic) โดยพนั โลหะท่ไี ม่ต้องการให้เกดิ สนิมด้วยโลหะท่ี มีศักย์ไฟฟ้าต่ากว่า หรือต่อเข้ากบั ขัว้ ลบของแหล่งกาเนิดไฟฟ้า กระแสตรง โลหะท่มี ีค่า E๐ ต่ากว่า และขัว้ ลบของแหล่งกาเนิดไฟฟ้า กระแสตรงจะทาหน้าท่เี ป็ นแอโนด ส่วนโลหะท่ไี ม่ต้องการให้เกิดสนิมจะ เป็ นแคโทด – การฝังถุง Mg ตามท่อ หรือการผูก Mg ตามโครงเรือ จะทาให้ Fe ผุช้า ลง เน่ืองจาก Mg เสยี e ง่ายกว่า Fe จะเสีย e แทน Fe • 4. การป้องกนั การผุกร่อนของโลหะในระบบหล่อเยน็ แบบปิ ด

การป้องกนั การผกุ ร่อนของถงั เหลก็ โดยใช้ข้วั Mg

ความก้าวหน้าทางเทคโลโลยีเก่ยี วข้องกบั เซลล์ไฟฟ้าเคมี ปฏกิ ริ ิยาท่เี กดิ ขนึ้ ท่แี อโนด Li (s) ------> Li+(s) + e- ท่แี คโทด TiS2(s) + e- -----> TiS2 -(s) ปฏกิ ริ ิยารวม Li(s) + TiS2(s) -----> Li+(s) + TiS2-(s) ศกั ย์ไฟฟ้าของเซลล์นีม้ ีคา่ ประมาณ 2 โวลต์ เม่ือโลหะลเิ ทียมให้อิเลก็ ตรอนแล้วจะกลายเป็น Li+ ผ่านอิเลก็ โทรไลต์แข็งไปยงั แคโทดซงึ่ มี TiS2 ทาหน้าท่ีรับอิเลก็ ตรอนเกิดเป็น TiS2-(s) จากนนั้ TiS2- จะ รวมตวั กบั Li+ เกิดเป็น LiTiS2 อิเลก็ โทรไลต์แข็งทาหน้าที่เป็นฉนวนตอ่ อิเลก็ ตรอน จึงทาให้เซลล์ไฟฟ้านี ้ สามารถใช้งานได้โดยไม่เกิดการลดั วงจร เซลล์ไฟฟ้าแบบนีเ้ป็นแบบทตุ ิยภมู ิสามารถประจไุ ฟได้ใหมเ่ ชน่ เดียวกบั เซลล์นิแคดหรือเซลล์ สะสมไฟฟา้ แบบตะกวั่ ในปัจจบุ นั นีม้ ีการใช้แบตเตอร่ีชนิดนีก้ บั รถยนต์ ทาให้ไม่ต้องเติมนา้ กลน่ั กบั แบตเตอร่ีอีกตอ่ ไปเมื่อแบตเตอร่ีนีห้ มดอายกุ ารใช้งานแล้วก็สามารถเปลย่ี นใหมไ่ ด้ แต่ยงั มีราคาแพงมาก เมื่อเทียบกบั แบตเตอร่ีที่ใช้แผน่ ตะกวั่ เป็นขวั้ ไฟฟ้าและใช้สารละลายกรดเป็นอิเล็กโทรไลต์

ความก้าวหน้าทางเทคโลโลยีเก่ยี วข้องกบั เซลล์ไฟฟ้าเคมี การทาอเิ ลก็ โทรไดอะลซิ ิสน้าทะเล

แบตเตอร่ีอากาศ ใช้ออกซิเจนในอากาศเป็ นตวั ออกซิไดส์ โดยมโี ลหะ (Zn , Al) เป็ นตัวรีดวิ ส์ และใช้สารละลาย NaOH เข้มข้นเป็ น สารอเิ ลก็ โทรไลต์ เช่น แบตเตอร่ีสังกะสี - อากาศ 1 อากาศ (แคโทด) 2 O2(g) + 2e- O2-(g) Zn2+(aq) + 2e- สังกะสี (แอโนด) Zn(s)