175 หนว่ ยท่ี 7 เคมไี ฟฟา้ แนวคิด ไฟฟ้าเป็นพลังงาน ชนิ ดหน ึ่ง ที ่มนุ ษย ์นำมาใช้ ประโ ย ชน์ มากมายน อก จากจะ ให้ แสงสว่ าง แ ล้ ว ยังให้ความร้อนในการหุงต้มหรือรีดผ้า และยังนำไฟฟ้ามาใช้ในการหมุนมอเตอร์ เช่น เครื่องดูดฝุ่น เครื่องปั่น เครื่องทำความเย็น เป็นต้น ไฟฟ้าจึงมีความสำคัญและจำเป็นต่อการดำรงชีวิตของมนุษย์ พลังงานไฟฟา้ อาจได้มาจากแหล่งต่าง ๆ เชน่ เครอ่ื งกำเนดิ ไฟฟา้ แบตเตอรี่ ถ่านไฟฉาย การศึกษาเก่ียวกับ การเปลี่ยนแปลงพลังงานไฟฟ้ากับพลังงานเคมีเรียกว่า เคมีไฟฟ้า ซึ่งเป็นการศึกษาความสัมพนั ธ์เกีย่ วกบั ปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าซึง่ เรียกว่าเซลล์กัลวานิก และการผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในสารเคมี เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี เรียกว่า เซลล์อิเล็กโทรไลต์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น เรียกว่า ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่มีการให้และรับอิเล็กตรอนระหว่างสาร ซึ่งที่มีประโยชน์มากในการคิดค้นสิ่งประดิษฐ์ นวัตกรรม สาระการเรียนรู้ 7.1 ปฏกิ ริ ิยาเคมีไฟฟ้า 7.2 การดลุ สมการรีดอกซ์ 7.3 เซลลไ์ ฟฟา้ เคมี จดุ ประสงคเ์ ชิงพฤติกรรม 1. นกั ศกึ ษาบอกความหมายและปฏกิ ริ ยิ าย่อยของปฏกิ ริ ิยารีดอกซ์ได้อยา่ งถูกตอ้ ง 2. นักศกึ ษาดลุ สมการรดี อกซ์โดยใช้เลขออกซิเดชนั และใชค้ ร่งึ ปฏิกิริยาได้อย่างถกู ตอ้ ง 3. นักศกึ ษาบอกความหมายและชนิดของเซลล์กัลวานิกได้อยา่ งถกู ตอ้ ง 4. นักศกึ ษาเขยี นแผนภาพของเซลลก์ ัลวานิกได้อย่างถกู ตอ้ ง 5. นกั ศกึ ษาพิจารณาการเกดิ ปฏกิ ิรยิ ารดี อกซ์จากค่าศกั ยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานของเซลล์ได้อย่างถกู ตอ้ ง 6. นักศึกษาบอกความหมายของเซลล์อิเลก็ โทรไลติกได้อย่างถูกตอ้ ง 7. นกั ศกึ ษาบอกการนำเซลลไ์ ฟฟา้ เคมีไปใช้ประโยชน์ได้
176 ผังมโนทัศน์
177 7.1 ปฏกิ ิรยิ าเคมไี ฟฟา้ ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า หรือ ปฏิกิริยารีดอกซ์ ( Redox reaction ) คือปฏิกิริยาเคมีที่มีการให้และรับ อเิ ล็กตรอนระหว่างสารตัง้ ตน้ ทำใหเ้ ลขออกซิชนั ของสารตั้งต้นมกี ารเปลยี่ นแปลงไป ซึ่งจะทำให้มีอะตอม ของธาตุบางตัวสญู เสียหรือไดร้ ับอิเลก็ ตรอน เรียกปฏิกริ ยิ าท่ีเกิดการให้อิเล็กตรอนว่า ปฏิกิริยาออกซิเดชัน ( Oxidation reaction ) และเรียกปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอนว่า ปฏิกิริยารีดักชัน ( Reduction reaction ) ดังนั้นปฏิกิริยารีดอกซ์ ประกอบด้วยปฏิกิริยาย่อย 2 ปฏิกิริยา ที่เกิดขึ้นพร้อมกันในปฏิกิริยา เดียวกัน ปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชันเป็นครึ่งปฏิกิริยา เมื่อรวมปฏิกิริยาทั้งสองเข้าด้วยกัน จะได้ปฏกิ ริ ยิ ารดี อกซ์ เช่น ปฏิกิริยารดี อกซอ์ ย่างงา่ ยทเี่ กดิ ขึน้ เมอื่ จุม่ แผ่นสงั กะสี Zn(s) ลงในสารละลาย คอปเปอร์ (II) ซลั เฟต CuSO4(aq) ดังภาพ 7.1 ภาพท่ี 7.1 ปฏกิ ิริยาเคมีที่เกิดจากแผน่ สงั กะสจี ุ่มไปในสารละลายคอปเปอร์ (II) ซัลเฟต ที่มา : http://www.siamchemi.com ( สบื คน้ เมือ่ 5 ม.ี ค. 2559 ) จากภาพที่ 7.1 เมื่อจุ่มแผ่นสังกะสี Zn(s) ลงในสารละลายคอปเปอร์ (II) ซัลเฟต CuSO4(aq) จะเกิดปฏิกิริยา 2 อย่างขึ้นในเวลาเดียวกัน นั่นคือ โลหะสังกะสีจะเกิดการผุกร่อน เนื่องจากมีการสูญเสีย อิเลก็ ตรอน เกดิ ปฏกิ ิรยิ าออกซเิ ดชัน ดังนี้ Zn(s) Zn2+ (aq) + 2e- ส่วนคอปเปอร์ไอออน (Cu2+) ในสารละลายคอปเปอร์ (II) ซัลเฟต CuSO4(aq) จะรับอิเล็กตรอน จากโลหะสังกะสีกลายเป็นโลหะทองแดง Cu(s) เกาะอยู่ที่แผ่นโลหะสังกะสี และสารละลายสีฟ้าของ CuSO4(aq) จะจางลงเร่อื ย ๆ เกิดปฏิกิริยารดี กั ชนั ดงั นี้ Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) เม่ือรวมปฏิกิรยิ าท้ังสองเขา้ ดว้ ยกนั จะเกิด ปฏิกิริยารดี อกซ์ดังน้ี Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)
178 เรียก Zn(s) ซึ่งให้อิเล็กตรอนว่า ตัวรีดิวซ์ ( Reduce ) และเรียก Cu2+(aq) ซึ่งรับอิเล็กตรอนวา่ ตวั ออกซไิ ดส์ ( Oxidise ) ซึ่งปฏิกิริยารีดอกซ์ดังกล่าวจะไม่เกิดขึ้นถ้าจุ่มโลหะทองแดง Cu(s) ลงในสารละลายซิงค์ซัลเฟต (ZnSO4) เพราะโลหะทองแดงจะไม่ยอมให้อิเล็กตรอนแก่ซงิ คไ์ อออน Zn2+ หรือกล่าวได้ว่า Zn2+ ไม่สามารถ รบั อเิ ล็กตรอนจากโลหะทองแดงได้ ดังนั้นความสามารถในการรบั อิเล็กตอนของ Cu2+ จึงมากกวา่ Zn2+ ปฏิกิริยารีดอกซ์ที่พบท่วั ไปอาจเกิดขนึ้ ระหว่างธาตุกับธาตุ ธาตุกับสารประกอบ หรือสารประกอบ กับสารประกอบ การพิจารณาว่าปฏิกิริยาใดเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์หรือไม่ ทำได้โดยการเปรียบเทียบ เลขออกซิเดชันของธาตุ และไอออนทุกชนิดที่เป็นสารตั้งต้นกับผลิตภัณฑ์ ถ้ามีการเปลี่ยนแปลง เลขออกซิเดชนั ถือว่าเปน็ ปฏิกริ ยิ ารีดอกซ์ เลขออกซิเดชัน ( Oxidation Number หรือ Oxidation state ) คือ ค่าประจุไฟฟ้าที่สมมติข้ึน ของไอออนหรืออะตอมของธาตุโดยคิดจากจำนวนอิเล็กตรอนที่ให้หรือรับหรือใช้ร่วมกับอะตอมของธาตุ ตามเกณฑท์ ่กี ำหนดขึน้ ซ่ึงส่วนใหญเ่ ปน็ เลขจำนวนเตม็ บวกหรือลบหรือศูนย์ หลักเกณฑ์ในการกำหนดคา่ เลขออกซิเดชัน มีดงั นี้ 1. เลขออกซิเดชันของธาตุอิสระทุกชนิดไม่ว่าธาตุนั้นหนึ่งโมเลกุลจะประกอบด้วยกี่อะตอม มคี ่าเท่ากบั ศนู ย์ เช่น Na Zn Cu He H2 N2 O2 Cl2 P4 S8 เปน็ ต้น มเี ลขออกซเิ ดชันเท่ากบั ศนู ย์ 2. เลขออกซิเดชนั ของไฮโดรเจนในสารประกอบโดยทั่วไป ( H รวมตัวกับอโลหะ ) เชน่ HCl H2O H2SO4 เป็นต้น มีค่าเท่ากับ +1 แต่ในสารประกอบไฮไดรด์ของโลหะ ( H รวมตัวกับโลหะ ) เช่น NaH CaH2 ไฮโดรเจนมีเลขออกซิเดชนั เทา่ กบั -1 3. เลขออกซิเดชนั ของออกซิเจนในสารประกอบโดยทวั่ ไปเทา่ กับ -2 แตใ่ นสารประกอบเปอรอ์ อกไซด์ เช่น H2O2 และ BaO2 ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1 สารประกอบซุปเปอร์ออกไซด์ออกซิเจน มเี ลขออกซเิ ดชันเท่ากบั -0.5 และในสารประกอบ OF2 เท่าน้ัน ทอี่ อกซเิ จนมเี ลขออกซิเดชันเทา่ กบั +2 4. เลขออกซิเดชันของไอออน ที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกัน มีค่าเท่ากับประจุที่แท้จริง ของไอออนนั้น เชน่ Mg2+ ไอออน มเี ลขออกซเิ ดชนั เท่ากับ +2 และ F- ไอออนมีเลขออกซิเดชันเทา่ กับ -1 เป็นต้น 5. ไอออนทป่ี ระกอบด้วยอะตอมมากกว่าหน่งึ ชนิด ผลรวมของเลขออกซิเดชันของอะตอมทงั้ หมด จะเทา่ กบั ประจทุ ่แี ท้จรงิ ของไอออนนน้ั เช่น SO42- ไอออน เทา่ กับ -2 เลขออกซเิ ดชันของ NH4+ ไอออน เท่ากับ +1 เปน็ ตน้ 6. ในสารประกอบใด ๆ ผลบวกของเลขออกซเิ ดชันของอะตอมทงั้ หมดเท่ากบั ศูนย์ เชน่ H2O น้นั H มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +1 แต่มี H 2 อะตอม จึงมีเลขออกซิเดชันทั้งหมด เท่ากับ +2 และ O มีเลขออกซเิ ดชันเท่ากบั -2 เมือ่ รวมกนั จะเทา่ กับศูนย์ เปน็ ต้น 7. ธาตุหมู่ IA IIA และ IIIA ในสารประกอบต่าง ๆ มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +1 +2 และ +3 ตามลำดบั
179 8. ธาตุอโลหะส่วนใหญ่ในสารประกอบมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า เช่น Cl ใน HCl HClO HClO2 HClO3 และ HClO4 มเี ลขออกซเดชันเท่ากับ -1 +1 +3 +5 และ +7 ตามลำดับ 9. ธาตุแทรนซิชันส่วนใหญ่มีเลขออกซิชันได้มากกว่าหนึ่งค่า เช่น Fe ใน FeO และ Fe2O3 มเี ลขออกซเิ ดชนั เท่ากบั +2 และ +3 ตามลำดับ สามารถหาเลขออกซเิ ดชนั โดยวิธีดงั นี้ 1. สมมตเิ ลขออกซิเดชันของธาตุท่ตี อ้ งการหา 2. นำค่าเลขออกซิเดชันของธาตุที่ทราบแล้ว และเลขออกซิเดชันของธาตุที่ต้องการหา จากน้ัน เขียนเป็นสมการตามหลักเกณฑ์ในการกำหนดค่าเลขออกซิเดชัน แล้วแก้สมการเพื่อหาเลขออกซิเดชัน ของธาตุ 3. สำหรับสารประกอบไอออนกิ ทป่ี ระกอบดว้ ย ไอออนเชิงซอ้ น และไมท่ ราบคา่ เลขออกซิเดชัน ของธาตุมากกวา่ 1 ธาตุ เม่ือต้องการหาคา่ เลขออกซิเดชนั ของธาตุ ควรแยกเปน็ ไอออนบวกและไอออนลบ กอ่ น จงึ สมมตคิ า่ เลขออกซิเดชนั ของธาตุท่ีตอ้ งการหาแล้วนำค่าเลขออกซิเดชันของธาตุท่ีทราบแล้วกับธาตุ ที่ต้องการทราบไปเขียนสมการตามหลักเกณฑ์ในการกำหนดค่าเลขออกซิเดชัน จากนั้นจึงแก้สมการ เพอื่ หาเลขออกซเิ ดชนั ของธาตดุ ังกล่าว ตัวอย่างท่ี 1 จงหาเลขออกซิเดชันของ Cr ใน [Cr(H2O)4Cl2] ClO4 วธิ ีทำ H2O มีเลขออกซเิ ดชันเท่ากบั 0 Cl- มีเลขออกซเิ ดชนั เท่ากบั –1 ClO4 มีเลขออกซเิ ดชนั เท่ากับ –1 ให้ Cr มเี ลขออกซเิ ดชนั เท่ากบั X X + (0 4) + (-1 2) + (-1) = 0 X= +1+2 =3 ตอบ Cr มีเลขออกซิเดชนั เทา่ กับ +3 ตัวอย่างท่ี 2 จงหาเลขออกซเิ ดชนั ของ S ใน Na2S4O6 วิธที ำ Na มเี ลขออกซเิ ดชันเทา่ กับ +1 O มเี ลขออกซเิ ดชนั เท่ากบั –2 ให้ S มเี ลขออกซิเดชนั เท่ากับ X ((+1) 2) + (X 4) + ((-2) 6) = 0 4X = 10 X= +2.5 ตอบ S ใน Na2S4O6 มเี ลขออกซเิ ดชันเท่ากบั +2.5
180 7.2 การดุลสมการรีดอกซ์ การเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่ถูกต้องจะต้องเป็นสมการที่ดุลแล้ว นั่นคือ จำนวนอะตอม ของแต่ละธาตุและผลรวมประจุไฟฟ้าของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ต้องเท่ากัน การดุลสมการรีดอกซ์ มีหลักการเดียวกันและต้องพิจารณาจำนวนอิเล็กตรอนที่อยู่ในปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชัน ให้เทา่ กันดว้ ย การดุลสมการรีดอกซ์ มี 2 วิธี คือ การดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้เลขออกซิเดชัน และการดุลสมการ รีดอกซโ์ ดยใช้ครึ่งปฏิกิริยา 7.2.1 การดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้เลขออกซิเดชัน การดุลสมการรีดอกซโ์ ดยใชเ้ ลขออกซิเดชนั มีหลกั การสำคัญ คอื การทำให้เลขออกซเิ ดชนั ของธาตุ หรือไอออนที่เพิ่มขึ้นกับเลขออกซิเดชันของธาตุหรือไอออนที่ลดลงเท่ากัน จากนั้นจึงดุลอะตอมอ่ืน ที่เลขออกซิเดชันไม่เปลี่ยนและตรวจสอบความถูกตอ้ ง โดยการนับจำนวนอะตอมของธาตุและประจุไฟฟ้า ของสารตง้ั ต้นและผลิตภณั ฑซ์ ึง่ ตอ้ งเท่ากนั การดุลสมการรดี อกซ์โดยใช้เลขออกซเิ ดชันมี 5 ขัน้ ตอน ดงั น้ี 1. หาเลขออกซิเดชันของธาตุหรือไอออนในปฏกิ ิริยา เพ่อื ทราบตัวรดี ิวซ์และตัวออกซไิ ดส์ 2. ดุลจำนวนอะตอมของธาตุที่เลขออกซิเดชันเปลี่ยนแปลง และหาเลขออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้น ของตวั รดี วิ ซ์และเลขออกซเิ ดชันทล่ี ดลงของตวั ออกซไิ ดส์ 3. ดุลจำนวนอะตอมของธาตุที่เลขออกซิเดชันไม่เปลี่ยนทั้งสารตัง้ ตน้ และผลิตภัณฑ์ โดยนำตัวเลข ท่ีเหมาะสมไปคูณ 4. ดุลจำนวนอะตอมของธาตุที่เลขออกซิเดชันไมเ่ ปลี่ยนทัง้ สารตัง้ ต้นและผลิตภัณฑ์ โดยนำตัวเลข ท่ีเหมาะสมมาเตมิ หนา้ สูตรหรอื สญั ลกั ษณ์โดยเร่มิ จากสารโมเลกลุ ใหญก่ ่อน 5. นับจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุและผลรวมประจุไฟฟ้าของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ ซึ่งเป็น การตรวจสอบความถูกตอ้ ง ถ้าเท่ากนั แลว้ แสดงวา่ ดลุ สมการได้ถูกตอ้ ง ตวั อย่างท่ี 3 เมอ่ื จมุ่ โลหะอะลูมิเนียมลงในสารละลายทีม่ ี Zn2+(aq) พบว่าโลหะอะลูมเิ นยี มสว่ นท่ีจุ่มอยู่ใน สารละลายกร่อนไปดงั สมการ Al(s) + Zn2+(aq) Al3+(aq) + Zn(s) จงดุลสมการรีดอกซ์โดยใชเ้ ลขออกซิเดชัน วิธีทำ 1. หาเลขออกซิเดชันของธาตหุ รือไอออนในปฏกิ ิรยิ า เพอ่ื ทราบตวั รีดิวซ์และตัวออกซไิ ดส์ Al(s) + Zn2+(aq) Al3+(aq) + Zn(s) เลขออกซิเดชนั 0 +2 +3 0
181 2. ดุลจำนวนอะตอมของธาตุที่เลขออกซิเดชนั เปลี่ยนแปลง และหาเลขออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้นของ ตวั รดี ิวซ์และเลขออกซิเดชันท่ีลดลงของตวั ออกซไิ ดส์ ตัวรดี ิวซ์ เลขออกซเิ ดชนั ของ Al เพิ่มขึ้น 3 Al(s) + Zn2+(aq) Al3+(aq) + Zn(s) เลขออกซเิ ดชนั 0 +2 +3 0 ตัวออกซไิ ดส์ เลขออกซเิ ดชันของ Zn ลดลง 2 3. ดุลจำนวนอะตอมขเอพง่มิธขาตึ้นุท3ี่เลขออกซิเดชันไม่เปลี่ยนทั้งสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ โดยนำตัว เลขทีเ่ หมาะสมไปคณู เพ่มิ ขึ้น 2 (3) = 6 2Al(s) + 3Zn2+(aq) 2Al3+(aq) + 3Zn(s) ลดลง 3 (2) = 6 4. ดุลจำนวนอะตอมของธาตุที่เลขออกซิเดชันไม่เปลี่ยนทั้งสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ โดยนำตัว เลขทเ่ี หมาะสมมาเตมิ หนา้ สูตรหรือสญั ลกั ษณโ์ ดยเรม่ิ จากสารโมเลกุลใหญก่ อ่ น 2Al(s) + 3Zn2+(aq) 2Al3+(aq) + 3Zn(s) ประจุไฟฟ้า 0 3(2+) 2(3+) 0 ผลรวมประจไุ ฟฟ้า 6+ 6+ 5. นับจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุและผลรวมประจุไฟฟา้ ของสารต้ังตน้ และผลิตภัณฑ์ ซึ่งกรณีนี้ เท่ากนั แล้ว แสดงว่าสมการรดี อกซน์ ด้ี ุลแลว้ 7.2.2 การดุลสมการรีดอกซ์โดยใชค้ ร่ึงปฏกิ ิรยิ า การดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้ครึ่งปฏิกิริยา มีหลักการสำคัญ คือ แยกสมการออกเป็นครึ่งปฏิกิริยา ออกซิเดชนั และคร่ึงปฏกิ ริ ิยารีดักชัน แลว้ ดุลท้ังจำนวนอะตอมและประจุไฟฟ้าของสารในแต่ละคร่งึ ปฏิกิริยา ให้เท่ากัน จากนั้นรวมสองครึ่งปฏิกิริยาเข้าด้วยกันและตัดสารที่เหมือนกันออกทั้งสองด้าน เนื่องจาก การดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้ครึ่งปฏิกิริยามีหลายวิธี ขั้นตอนการดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้ครึ่งปฏิกิริยา ด้วยวธิ ไี อออน-อิเลก็ ตรอน มี 6 ขั้นตอนดังนี้
182 1. หาเลขออกซเิ ดชนั ของธาตหุ รือไอออนเพ่ือใชก้ ำหนดคร่ึงปฏิกริ ิยาออกซิเดชนั และคร่ึงปฏิกิริยา รีดักชนั 2. แยกสมการรีดอกซ์ออกเปน็ ครึ่งปฏิกิริยาออกซเิ ดชนั และครงึ่ ปฏกิ ิริยารีดักชนั 3. ดุลจำนวนอะตอมของแตล่ ะธาตุและผลรวมประจุไฟฟ้าในแต่ละครึ่งปฏิกริ ยิ า โดยมลี ำดบั ดังนี้ 3.1 ดลุ จำนวนอะตอมทไ่ี มใ่ ช่ O และ H 3.2 ดลุ จำนวนอะตอม O โดยการเตมิ H2O 3.3 ดลุ จำนวนอะตอม H โดยการเตมิ H+ 3.4 ดลุ จำนวนประจไุ ฟฟา้ โดยการเติมอิเล็กตรอน 4. ทำจำนวนอิเล็กตรอนในแตล่ ะครงึ่ ปฏิกิรยิ าให้เทา่ กนั โดยคูณดว้ ยตัวเลขที่เหมาะสม 5. รวมสองครึ่งปฏิกริ ิยาเข้าดว้ ยกันแล้วตัดจำนวนอิเล็กตรอนและโมเลกุล H2O ออกทั้งสองดา้ น ด้วยจำนวนที่เท่ากัน สำหรับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในสารละลายเบส สมการที่ดุลแล้วควรมี OH- ปรากฏอยู่ ดงั น้นั จงึ ตอ้ งเตมิ OH- ทั้งสองเพ่ือให้ OH- รวมกับ H+ เกดิ เปน็ H2O 6. ตรวจสอบจำนวนอะตอมของแตล่ ะธาตแุ ละผลรวมประจุไฟฟ้าให้เท่ากนั ทง้ั 2 ด้านของสมการ ตัวอย่าง 4 ไดโครเมตไอออนทำปฏิกิริยากับไอโอไดด์ไอออนในสารละลายกรด เกิดเป็นโครเมียม (III) ไอออน กับไอโอดีน เขยี นเป็นสมการไอออนกิ ไดด้ งั น้ี Cr2O72-(aq) + I-(aq) Cr3+(aq) + I2(aq) จงดุลสมการโดยใช้คร่ึงปฏกิ ิริยา วิธที ำ 1. หาเลขออกซเิ ดชนั ของธาตุหรอื ไอออนเพอื่ ใช้กำหนดคร่งึ ปฏกิ ริ ิยา เลขออกซเิ ดชนั Cr2O72-(aq) + I-(aq) Cr3+(aq) + I2(aq) +6 -1 +3 0 2. แยกสมการรดี อกซอ์ อกเป็นครึง่ ปฏิกิริยาออกซเิ ดชนั และครึ่งปฏิกริ ิยารดี ักชนั ครึง่ ปฏิกริ ิยารดี ักชัน Cr2O72-(aq) Cr3+(aq) คร่ึงปฏิกิริยาออกซเิ ดชนั I-(aq) I2(aq) 3. ดุลจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุและผลรวมประจุไฟฟ้าในแต่ละครึ่งปฏิกิริยา โดยใช้ H2O ดุลจำนวนอะตอม O ใช้ H- ดุลจำนวนอะตอม H และใช้ e- ดุลประจุ
183 ดุลคร่งึ ปฏกิ ริ ิยารดี กั ชัน (1) ดลุ จำนวนอะตอมทไ่ี ม่ใช้ O และ H จำนวนอะตอม Cr ยงั ไม่ดุล จึงเตมิ 2 หน้า Cr3+ ดงั น้ี Cr2O72-(aq) 2Cr3+(aq) (2) ดลุ จำนวนอะตอม O ทางดา้ นซา้ ยมี O 7 อะตอม จึงเตมิ 7H2O ทางดา้ นขวา ดังน้ี Cr2O72-(aq) 2Cr3+(aq) + 7H2O(l) (3) ดลุ จำนวนอะตอม H ทางด้านขวามี H 14 อะตอม จงึ เตมิ 14H+ ทางดา้ นซ้าย ดังน้ี Cr2O72-(aq) + 14H+(aq) 2Cr3+(aq) + 7H2O(l) (4) ดุลจำนวนประจไุ ฟฟ้าทางดา้ นซ้ายมปี ระจุ 12+ แตด่ า้ นขวามี 6+ จงึ ต้องเตมิ 6e- ทางดา้ นซา้ ย เพอ่ื ทำใหป้ ระจเุ ป็น 6+ เท่ากัน ดังน้ี Cr2O72-(aq) + 14H+(aq) + 6e- 2Cr3+(aq) + 7H2O(l) ดุลคร่ึงปฏิกิริยาออกซเิ ดชัน (1) ดลุ จำนวนอะตอมทไี่ ม่ใช่ O และ H ในทน่ี ้ี คือ อะตอม I ดลุ ได้โดยเติม 2 หนา้ I-(aq) ดงั นี้ 2I-(aq) I2(aq) (2) ดลุ จำนวนอะตอม O และ H ในกรณีน้ไี ม่มี O และ H จึงไม่ตอ้ งดุล (3) ดลุ จำนวนประจไุ ฟฟ้า ทางด้านซา้ ยมีประจุ 2- แตด่ า้ ยขวาประจุเปน็ 0 จงึ เติม 2e- เพื่อทำให้ ประจเุ ป็น 2- เทา่ กนั ดงั นน้ั 2I-(aq) I2(aq) + 2e- 4. ทำจำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละครึ่งปฏิกิริยาให้เท่ากัน โดยคูณด้วยตัวเลขที่เหมาะสม ในครึง่ ปฏิกิริยารีดักชันรบั 6 อิเล็กตรอน Cr2O72-(aq) + 14H+(aq) + 6e- 2Cr3+(aq) + 7H2O(l) ส่วนในครึ่งปฏกิ ริ ิยาออกซเิ ดชนั ให้ 2e- จงึ ดุลครึง่ ปฏิกริ ยิ าออกซิเดชันโดยคูณด้วย 3 จะได้ดงั น้ี 6I-(aq) 3I2(aq) + 6e- 5. รวมสองครึง่ ปฏิกริ ยิ าเขา้ ด้วยกันแล้วตัดจำนวนอเิ ลก็ ตรอน ออกท้ังสองดา้ นด้วยจำนวนทเี่ ท่ากนั 6I-(aq) 3I2(aq) + 6e-
184 Cr2O72-(aq) + 14H+(aq) + 6e- 2Cr3+(aq) + 7H2O(l) Cr2O72-(aq) + 6I-(aq) +14H+(aq) 2Cr3+(aq) + 3I2(aq) + 7H2O(l) Cr2O72-(aq) + 6I-(aq) +14H+(aq) 2Cr3+(aq) + 3I2(aq) + 7H2O(l) 6. ตรวจสอบจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุและผลรวมประจุไฟฟา้ ให้เท่ากนั ทง้ั 2 ดา้ นของสมการ Cr2O72-(aq) + 6I-(aq) +14H+(aq) 2Cr3+(aq) + 3I2(aq) + 7H2O(l) ประจไุ ฟฟา้ 2- 6- 14+ 6+ 0 0 ผลรวมประจุ 6+ 6+ สมการนี้จำนวนอะตอมแต่ละธาตแุ ละผลรวมประจไุ ฟฟ้าทง้ั สองดา้ นเท่ากนั แสดงวา่ สมการรดี อกซ์ นด้ี ลุ แล้ว
185 7.3 เซลลไ์ ฟฟา้ เคมี เซลล์ไฟฟ้าเคมี ( Electrochemical cell ) คือ เครื่องมือหรืออุปกรณ์ทางเคมีซึ่งเกิดจาก การเปลย่ี นแปลงพลังงานเคมเี ปน็ พลงั งานไฟฟา้ หรือเกดิ การเปลีย่ นแปลงพลงั งานไฟฟา้ เป็นพลังงานเคมี องค์ประกอบหลกั ของเซลลไ์ ฟฟา้ เคมี ได้แก่ 1. ข้ัวไฟฟ้าอย่างนอ้ ยสองขั้วชนิดเดียวกัน หรอื ตา่ งชนดิ กนั เป็นวัสดุตัวนำไฟฟ้าโดยอาศัยการเคล่อื นท่ี ของอิเล็กตรอน 2. อเิ ลก็ โทรไลต์ ส่วนใหญ่เปน็ สารละลายเกลอื ไอออนกิ ท่ีละลายนำ้ เชน่ สารละลายโพแทสเซียม คลอไรด์ (KCl) ซึ่งอาจเขียนในรูป K+(aq) และ Cl- (aq) นำไฟฟ้าได้โดยอาศัยการเคลื่อนที่ของไอออน ทเ่ี ป็นองคป์ ระกอบ การใช้กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี หรือการใช้ปฏิกิริยาเคมีทำให้เกิด กระแสไฟฟ้า เกิดไดใ้ นบริเวณขวั้ ไฟฟา้ ของเซลลไ์ ฟฟา้ เคมี เซลล์ไฟฟา้ เคมี มสี ว่ นประกอบหลกั คือ ข้วั ไฟฟ้า และอิเล็กโทรไลต์ ขั้วไฟฟ้าเปน็ วัสดุทีน่ ำไฟฟา้ ได้โดยอาศัยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และอิเล็กโทรไลต์ เป็นวัสดุนำไฟฟ้าโดยการเคลื่อนที่ของไอออนที่เป็นองค์ประกอบ บริเวณที่ขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์ สัมผัสกันเปน็ บรเิ วณทไ่ี อออนในอิเล็กโทรไลต์ และอิเล็กตรอนในข้วั ไฟฟ้าเคลื่อนท่เี ข้ามารวมกัน หรือแยก ออกจากกัน ทัง้ ขว้ั ไฟฟ้า และ อเิ ล็กโทรไลตอ์ ยใู่ นสถานะของแข็ง ของเหลวหรอื กึ่งของเหลวก็ได้ เซลล์ไฟฟา้ เคมี แบ่งออกเปน็ 2 ประเภทหลัก คอื 1. เซลล์กัลวานกิ ( Galvanic cell ) 2. เซลล์อเิ ลก็ โทรไลตกิ ( Electrolytic cell ) 7.3.1 เซลล์กัลวานิก เซลล์กัลวานิก ( Galvanic cell ) คือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า เกิดจากสารเคมที ำปฏกิ ิริยากันในเซลล์ แลว้ เกิดกระแสไฟฟา้ เชน่ ถ่านไฟฉาย เซลล์แอลคาไลน์ เซลลป์ รอท เซลล์เงนิ แบตเตอรี่ ถ่านไฟฉาย และเซลล์เชือ้ เพลงิ ทีม่ นุษย์อวกาศใช้ในการเดินทางไปสำรวจดวงจนั ทร์ 1. การสร้างเซลล์กัลวานิก นำโลหะต่างชนิดกันจุ่มในภาชนะที่บรรจุสารละลายที่มีไอออนของโลหะนั้น เช่น โลหะ Zn(s) จุ่มใน Zn2+ เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ Zn(s)| Zn2+(aq) และโลหะ Cu(s) จุ่มใน Cu2+ เขียนแทนด้วย สัญลักษณ์ Cu(s)|Cu2+(aq) เป็นต้น ระบบที่ประกอบด้วยโลหะจุ่มอยู่ในสารละลายที่มีไอออนของโลหะ อย่ดู า้ นใดด้านหน่งึ ของเซลล์ เรียกวา่ คร่งึ เซลล์ เมื่อนำสองครึ่งเซลล์ต่างชนิดกันและภาชนะ 2 ใบนี้มีสะพานไอออนหรือสะพานเกลือ ซึ่งเป็น กระดาษ หรือหลอดรูปตัวยูท่ีชุบหรอื บรรจุสารละลายท่ีแตกตัวเป็นไอออนได้ดี และไม่ทำปฏิกริ ยิ ากบั สาร ที่อยู่ในครึ่งเซลล์ทั้งสอง เช่น อิเล็กโทรไลต์แก่ต่าง ๆ เชื่อมถึงกัน แล้วต่อลวดตัวนำจากขั้วทั้งสองเข้ากบั โวลต์มิเตอร์ ( Volt meter ) ซึ่งมีเข็มแสดงทิศทางการไหลของอิเล็กตรอน พบว่าเข็มกระดิกแสดงว่า อิเล็กตรอนผา่ นลวดตัวนำจากขัว้ โลหะหน่ึงไปยงั อีกขัว้ โลหะหน่ึงซงึ่ มีศักยไ์ ฟฟา้ ไม่เท่ากัน อเิ ล็กตรอนจะไหล
186 จากศักยไ์ ฟฟา้ ต่ำไปส่ศู ักย์ไฟฟ้าสูงและมีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร เรยี กโลหะในแต่ละครึ่งเซลล์ว่า ขั้วไฟฟ้า ลักษณะของเซลลก์ ลั วานิก ดังภาพท่ี 7.2 Zn(s) Cu(s) ZnSO4(aq) CuSO4(aq) ภาพที่ 7.2 ลักษณะของเซลล์กัลวานกิ ท่มี า : http://aandchem.blogspot.com/2011/02/blog-post_3505.html ( สืบค้นเมื่อ 5 มี.ค. 2559 ) จากภาพที่ 7.2 พบว่า เข็มของโวลต์มิเตอร์เบนจาก Zn(s) ไปยัง Cu(s) แสดงว่าอิเล็กตรอนไหล จาก Zn(s) ไปยัง Cu(s) ดังนน้ั ครึ่งเซลล์ Zn(s)| Zn2+(aq) เกดิ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน ดงั สมการ Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- ขั้วไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เรียกว่า ขั้วแอโนด ( Anode ) สำหรับไอออน Zn2+(aq) ท่ีเกดิ ขึน้ จะอยู่ในสารละลาย ทำให้ไอออนบวกในสารละลายเพิ่มข้ึน ส่วนอเิ ลก็ ตรอนจะเคล่ือนที่ ผ่านลวดตัวนำไปยังแผ่นทองแดงซึ่งเป็นขั้วไฟฟ้าของอีกครึ่งเซลล์หนึ่ง ดังน้ัน ครึ่งเซลล์ Cu(s)|Cu2+(aq) จึงเกิดปฏิกิริยารีดักชัน โดย Cu2+(aq) ในสารละลายรับอิเล็กตรอนเกิดเป็น Cu(s) สะสมที่ขั้วไฟฟ้า ดังสมการ Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) ขั้วไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน เรียกว่า ขั้วแคโทด ( Cathode ) ปฏิกิริยารีดอกซ์ ของเซลลท์ เ่ี กิดจากการนำครงึ่ เซลล์ Zn(s)| Zn2+(aq) มาต่อกับครึ่งเซลล์ Cu(s)|Cu2+(aq) เขียนเป็นสมการ ได้ดังน้ี Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)
187 2. การเขยี นแผนภาพเซลล์กัลวานิก การเขยี นแผนภาพเซลลก์ ัลวานกิ เป็นการเขียนแผนภาพแทนการเกดิ ปฏิกริ ิยารดี อกซ์ โดยการเขียน สัญลกั ษณ์แสดงสว่ นประกอบของเซลล์ ซง่ึ มหี ลักการดงั น้ี 1. เขยี นครง่ึ เซลล์ท่ีเกดิ ปฏกิ ิริยาออกซิเดชันหรือขวั้ แอโนดไว้ทางซา้ ย ครึง่ เซลลท์ ่ีเกดิ ปฏกิ ิรยิ ารดี ักชนั หรือขวั้ แคโทดไวท้ างขวา คัน่ กลางดว้ ยสะพานเกลือ ซึ่งใช้เครื่องหมาย || 2. สำหรบั แตล่ ะคร่ึงเซลล์ เขียนข้วั ไฟฟ้าของแต่ละคร่งึ เซลล์ท่ีเกิดปฏกิ ิรยิ าออกซิเดชันไว้ทางซ้ายสุด สว่ นขัว้ ไฟฟา้ ของคร่ึงเซลล์ทเ่ี กิดปฏิกิริยารีดกั ชันให้เขียนไวท้ างขวาสุด และใชเ้ คร่ืองหมาย | คน่ั ระหวา่ งสาร ที่มีสถานะต่างกัน ถ้าสารอยู่ในสถานะเดียวกันให้คั่นด้วยเครื่องหมายจุลภาค (,) รวมทั้งระบุสถานะ ของสารเชน่ เดียวกบั สมการเคมี เชน่ Fe(s)|Fe2+(aq) หรือ Pt(s)|Fe3+(aq), Fe2+(aq) 3. สำหรบั คร่ึงเซลล์ท่ีมีแก๊สเข้ามาเก่ียวขอ้ งจะใช้ขว้ั ไฟฟ้าเฉ่ือยซ่ึงทำจากวัสดุนำไฟฟ้าท่ีไม่ทำปฏิกิริยา กับแก๊ส และอเิ ลก็ โทรไลต์ เช่น ข้ัวแพลทนิ มั ขัว้ คารบ์ อน ซึง่ ให้อิเลก็ ตรอนเคลื่อนท่ีผ่านได้ ส่วนสารในคร่ึงเซลล์ ที่มีสถานะเป็นแก๊สต้องระบุความดันแก๊สในวงเล็บและใช้เครื่องหมายจุลภาคคั่นระหว่างสถานะกับความดัน เชน่ Pt(s)|H2(g, 1 atm)|H+(aq) 4. สารละลายที่ทราบความเขม้ ข้นใหเ้ ขียนระบไุ วใ้ นวงเล็บ เชน่ Zn(s)|Zn2(aq, 0.1 mol/dm3)||Cu2+(aq, 0.1 mol/dm3)|Cu(s) Pt(s)|H2(g, 1 atm)|H+(aq, 1 mol/dm3)||Cu2+(aq)|Cu(s) จากหลักการเขียนแผนภาพเซลล์กัลวานิก สามารถวาดรูปเซลล์กัลวานิก และเขียนสมการ แสดงคร่ึงปฏิกิริยาออกซเิ ดชนั คร่งึ ปฏิกริ ิยารีดักชัน และปฏกิ ริ ยิ าของเซลกัลวานิกได้ เช่น การเขยี นสมการ ไอออนทส่ี อดคล้องกับแผนภาพเซลล์ Zn(s)|Zn2(aq, 0.1 mol/dm3)||H+(aq, 1 mol/dm3)|H2(g, 1 atm)|Pt(s) คร่งึ ปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชนั Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- ครงึ่ ปฏกิ ิรยิ ารีดกั ชัน 2H+(aq) + 2e- H2(g) ปฏกิ ริ ิยารีดอกซ์ Zn(s) + 2H+(aq) Zn2+(aq) + H2(g) ตวั อยา่ งท่ี 5 จงเขยี นสมการแสดงปฏิกิริยา ทีข่ วั้ แอโนด ขั้วแคโทด และปฏิกริ ยิ าของเซลล์ จากแผนภาพ เซลลก์ ลั วานิกทก่ี ำหนดให้ Mg(s)|Mg2+(aq, 1 mol/dm3)||Fe3+(aq, 1 mol/dm3), Fe2+(aq, 1 mol/dm3)|Pt(g) วธิ ที ำ จากแผนภาพแสดงว่าคร่งึ เซลล์ Mg(s)|Mg2+(aq, 1 mol/dm3) เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เขยี นสมการได้ว่า แอโนด Mg(s) Mg2+(aq) + 2e- ในคร่ึงเซลล์ Pt(g)|Fe3+(aq, 1 mol/dm3), Fe2+(aq, 1 mol/dm3) เกดิ ปฏกิ ิริยารดี ักชนั แต่ เนอ่ื งจาก Fe3+(aq) มเี ลขออกซิเดชันสงู กวา่ Fe2+(aq) ปฏกิ ิริยารดี ักชนั ทีเ่ กดิ ข้นึ จงึ เขียนสมการได้ดังนี้ แคโทด Fe3+(aq) + e- Fe2+(aq)
188 เมือ่ รวมปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชัน กบั ปฏกิ ิริยารีดกั ชนั เขา้ ด้วยกัน จะได้ปฏกิ ริ ยิ ารดี อกซซ์ ึง่ เป็นปฏิกริ ิยา ของเซลลด์ งั นี้ Mg(s) + 2Fe3+(aq) Mg2+(aq) + Fe2+(aq) 3. ศักยไ์ ฟฟ้าของเซลลแ์ ละศกั ย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครงึ่ เซลล์ เมื่อต่อเซลล์ไฟฟ้าแต่ละคร้ังจะทราบค่าศกั ย์ไฟฟ้าของเซลล์โดยอ่านจากโวลต์มิเตอร์ และทราบได้ว่า ครงึ่ เซลลใ์ ดเปน็ แคโทดครึง่ เซลล์ใดเป็นแอโนด แตไ่ มท่ ราบคา่ ศักยไ์ ฟฟา้ ของแตล่ ะครึง่ เซลล์ นักวิทยาศาสตร์ กำหนดให้ครึ่งเซลลไ์ ฮโดรเจนมาตรฐาน หรอื ขัว้ ไฟฟ้าไฮโดรเจน เปน็ ครงึ่ เซลล์มาตรฐานในการเปรียบเทียบ หาค่าศักย์ไฟฟา้ มาตรฐานของครึ่งเซลล์ตา่ ง ๆ โดยมคี ่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน 0.00 โวลต์ การหาค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ต่าง ๆ ทำได้โดยต่อครึ่งเซลล์ที่ต้องการทราบค่าศักย์ไฟฟ้า กับครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่วัดได้จะเป็นศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ ( Half-cell potential : E ) นั้น ส่วนศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ ( Standard potential ) กำหนดเป็นสากล ให้ใช้สัญลักษณ์ E˚ ซึ่งเป็นค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ที่อยู่ในสภาวะมาตรฐานคือ ขั้วไฟฟ้าจุ่มอยู่ใน สารละลายที่ความเข้มข้นของไอออนเท่ากับ 1.0 โมลต่อลูกบาศก์เดซิเมตร ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส ถา้ สารมีสถานะเป็นแกส๊ กำหนดใหค้ วามดันคงท่ี 1 บรรยากาศ จากการนำครึ่งเซลล์มาต่อกันเป็นเซลล์กัลวานิก ครึ่งเซลล์ที่รับอิเล็กตรอนซึ่งเกิดที่ขั้วแคโทด จะมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าครึ่งเซลล์ที่ให้อิเล็กตรอน ซึ่งเกิดขึ้นที่ขั้วแอโนด และศักย์ไฟฟ้าที่อ่านได้จากมิเตอร์ จะเป็นศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ซ่ึงคือผลตา่ งระหว่างศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ท่ีมศี ักย์สูงกบั ครึ่งเซลลท์ ่ีมีศักย์ตำ่ จึงสามารถหาคา่ ศักยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานของครึง่ เซลลต์ ่าง ๆ ไดด้ งั น้ี ศกั ย์ไฟฟา้ มาตรฐานของเซลล์ = ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของแคโทด – ศักยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานของแอโนด E˚cell = E˚cathode - E˚anode ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของแต่ละครึ่งเซลล์เป็นค่าคงที่เฉพาะสำหรับครึ่งเซลล์ชนิดนั้น ดังน้ัน การกำหนดค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์จึงต้องระบุด้วยว่าเป็นศักย์ไฟฟ้าของปฏิกิริยารีดักชัน หรือปฏิกิริยาออกซิเดชัน แต่มาตรฐานสากล ( IUPAC ) กำหนดให้ใช้ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์ รีดักชนั เป็นคร่ึงเซลล์มาตรฐาน ดังตารางที่ 7.1
189 ตารางท่ี 7.1 ค่าศกั ย์ไฟฟา้ มาตรฐานของครง่ึ เซลลร์ ีดักชัน E˚ ทอ่ี ณุ หภูมิ 298 เคลวิน ( 25 ˚C ) ที่มา : http://www.il.mahidol.ac.th ( สืบคน้ เม่อื 5 ม.ี ค. 2559 ) จากตารางที่ 7.1 คา่ ศกั ย์ไฟฟ้ามาตรฐานของคร่ึงเซลลร์ ดี ักชันใดท่มี ีค่าเปน็ บวกมากกว่า จะสามารถ เกิดปฏิกิรยิ ารีดักชันได้ดีกว่าซง่ึ สามารถนำไปใช้ประกอบการพิจารณาตัดสินใจว่า ปฏกิ ิรยิ ารีดอกซ์จะเกิดข้ึน ได้หรือไม่ จากการจุ่มโลหะบางชนิดลงในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่มไี อออนของโลหะต่างชนิดกับโลหะที่จุ่ม ลงไปนั้น และสามารถคำนวณหาค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ เมื่อนำครึ่งเซลล์ที่ทราบค่า E˚ สองครึ่งเซลล์มาต่อกันเป็นเซลล์กัลวานิก โดยนำศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน ลบด้วยศักยไ์ ฟฟ้ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์ท่ีเกิดปฏกิ ริ ิยาออกซิเดชัน เนอ่ื งจากปฏิกริ ิยาเคมีของเซลล์กัลวานิก สามารถเกิดขึ้นได้เองโดยไม่ต้องใช้พลังงานจากภายนอก ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานที่ได้ต้องเป็นบวกเสมอ แต่หากค่าเป็นลบ แปลความหมายได้ว่าปฏิกิริยารีดอกซ์นั้นเกิดขึ้นเองไม่ได้ นั่นคือ ไม่สามารถสังเกต การเปล่ียนแปลงของปฏิกิริยาได้ ต้องกลบั ทิศทางของปฏิกิริยารีดอกซ์ จงึ สามารถคำนวณค่าไฟฟ้ามาตรฐาน ของเซลลไ์ ด้
190 ตัวอย่างที่ 6 ใส่แผ่นโลหะสังกะสีลงในบกี เกอร์ ที่มีสารละลายกรดไฮโดรคลอรกิ เข้มข้น 1.0 mol/dm3 จงคำนวณศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์และทำนายว่าปฏิกิริยารีดอกซ์ เกิดขึ้นเองได้หรือไม่ โดยสมการแสดง ปฏกิ ริ ยิ าระหวา่ งโลหะสงั กะสีกบั สารละลายกรดไฮโดรคลอรกิ เปน็ ดังน้ี ครงึ่ ปฏกิ ริ ิยาออกซิเดชนั Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- คร่งึ ปฏกิ ิริยารีดกั ชัน 2H+(aq) + 2e- H2(g) Zn2+(aq) + H2(g) ปฏกิ ิริยารีดอกซ์ Zn(s) + 2H+(aq) วิธที ำ ศกั ยไ์ ฟฟ้ารดี กั ชนั มาตรฐานเป็นดังนี้ 2H+(aq) + 2e- H2(g) มีค่า E˚ = 0.00 V Zn2+(aq) + 2e- Zn(s) มีคา่ E˚ = -0.76 V คำนวณศักยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานของเซลลไ์ ดด้ งั น้ี E˚cell = E˚cathode - E˚anode = 0.00 – (-0.76) = +0.76 V ตอบ เซลลก์ ัลวานกิ มีคา่ เปน็ บวก แสดงวา่ ปฏกิ ิรยิ ารดี อกซ์เกดิ ขน้ึ เองได้ ตัวอย่างที่ 7 ใส่แผ่นโลหะทองแดง ลงในสารละลายกรดไฮโดรคลอริก เข้มข้น 1.0 โมลต่อลูกบาศก์ เดซิเมตร จงคำนวณศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์และทำนายว่าปฏิกิริยารีดอกซ์ เกิดขึ้นเองได้หรือไม่ โดยกำหนดให้มปี ฏิกริ ิยาเกิดขึ้นเปน็ ดังนี้ ครึ่งปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชนั Cu(s) Cu2+(aq) + 2e- ครงึ่ ปฏกิ ิรยิ ารดี ักชัน 2H+(aq) + 2e- H2(g) ปฏิกริ ิยารดี อกซ์ Cu(s)+ 2H+(aq) Cu2+(aq) + H2(g) วธิ ีทำ ศักย์ไฟฟา้ รีดักชนั มาตรฐานเปน็ ดังนี้ 2H+(aq) + 2e- H2(g) มคี า่ E˚ = 0.00 V Cu2+(aq) + 2e- Au(s) มคี ่า E˚ = +0.34 V คำนวณศกั ย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลลไ์ ดด้ งั น้ี E˚cell = E˚cathode - E˚anode = 0.00 – (+0.34) = -0.34 V ตอบ เซลล์กัลวานิกมีค่าเป็นลบ แสดงว่าปฏิกิริยารีดอกซ์เกิดขึ้นเองไม่ได้ ต้องกลับทิศทางของปฏิกิริยา คา่ ศกั ยไ์ ฟฟ้ามาตรฐานของเซล์จงึ เปน็ +0.34 โวลต์
191 4. ประเภทของเซลล์กัลวานกิ เซลล์กัลวานิก แบ่งตามลักษณะปฏิกิริยาที่เกิดภายในเซลล์ได้ 2 ประเภท คือ เซลล์ปฐมภูมิ และเซลล์ทุติยภมู ิ ดงั น้ี (1) เซลล์ปฐมภูมิ เป็นเซลล์กัลวานิกที่ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์แล้ว ไม่สามารถเปลี่ยนผลิตภณั ฑ์กลับมาเป็นสารตัง้ ต้นไดอ้ ีก จึงไม่สามารถนำกลบั มาใช้ได้อีก เช่น ถ่านไฟฉาย เซลล์แอลคาไลน์ เซลลป์ รอท เซลลเ์ งนิ ก. ถ่านไฟฉาย หรอื เซลลแ์ หง้ หรือเซลลเ์ ลอคลงั เช ถ่านไฟฉาย ประกอบด้วย แท่งแกรไฟตอ์ ยตู่ รงกลางเป็นขว้ั แคโทด มีอเิ ลก็ โทรไลต์ซ่ึงเป็นส่วนผสม ของแมงกานีส (IV) ออกไซด์ (MnO2) แอมโมเนียมคลอไรด์ (NH4Cl) ซิงค์คลอไรด์ (ZnCl2) ของผสมชื้น เชน่ แปง้ เปยี ก ผงคารบ์ อน และนำ้ คลุกเคลา้ อยู่ดว้ ยกนั ในลกั ษณะเปน็ อิเล็กโทรไลต์ช้นื เหนียวขน้ เพื่อทำให้ รั่วออกมาได้ยาก สารทั้งหมดบรรจอุ ยู่ในกลอ่ งเซลลท์ ำดว้ ยโลหะสงั กะสี ดา้ นนอกกลอ่ งอาจหุ้มด้วยกระดาษ แผน่ พลาสติก หรือโลหะสแตนเลสเพื่อกนั ไม่ใหส้ ารภายในรว่ั ไหลออกมา ดา้ นบนของแทง่ แกรไฟต์ครอบด้วย โลหะสังกะสีอีกชิ้นหนึ่ง ส่วนด้านล่างของกล่องมีแผ่นสังกะสีทำหน้าที่เป็นขั้วแอโนด ส่วนประกอบ ของถ่านไฟฉาย ดงั ภาพที่ 7.3 + () () - MnO2 NH4Cl2 ภาพท่ี 7.3 ส่วนประกอบของถ่านไฟฉาย ท่มี า : www.myfirstbrain.com ( สืบค้นเมื่อ 5 ม.ี ค. 2559 ) เมอ่ื ต่อข้ัวแอโนดกบั ข้ัวแคโทดครบวงจรจะเกดิ การเปลยี่ นแปลงภายในเซลล์ดงั น้ี ทขี่ ัว้ แอโนด Zn ถกู ออกซไิ ดซก์ ลายเปน็ Zn2+ Zn(s) Zn2+(aq) +2e- ท่ีขวั้ แคโทด MnO2 จะถกู รีดิวซ์ ไปเปน็ Mn2O3 Mn2O3(s) + 2NH3(g) + H2O(l) 2MnO2(s) + 2NH4+ + (aq) + 2e-
192 ดงั นนั้ ปฏิกิรยิ ารวมจึงเป็น Zn2+(aq) + Mn2O3(s) + 2NH3(g) + H2O(l) Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4+ + (aq) แกส๊ NH3 ทเี่ กิดขึ้นรอบ ๆ แทง่ แกรไฟตเ์ ปน็ ฉนวนไฟฟ้าจะขัดขวางการถ่ายโอนอิเล็กตรอน แต่ Zn2+ ที่เกิดขึ้นสามารถทำปฏิกิริยา กับ NH3 และน้ำ เกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อนของเตตระแอมมีนซิงค์ (II) ไอออน [Zn(NH3)4]2+ และไดแอมมีนไดอาควาซิงค์ (II) ไอออน [Zn(NH3)2(H2O)2]2+ ทำให้ความเข้มข้น ของ Zn2+ ภายในเซลล์เปลี่ยนแปลงน้อยมากจนเกือบคงที่ ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์จึงคงที่อยู่เป็นเวลานาน เซลลแ์ ห้งนี้จะให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ เม่อื ใช้เซลลน์ ไ้ี ปนาน ๆ โลหะสังกะสีจะกร่อน ความต่างศักย์ ระหว่างข้วั จะลดลงจนเกือบเป็นศูนย์ เรียกว่า ถ่านหมด จากปฏิกิริยารวมจะสงั เกตว่ามีน้ำเปน็ ผลิตภัณฑ์ด้วย ดังนั้นเซลล์ที่เสื่อมสภาพจึงบวมและมีน้ำไหลออกมาทำให้วงจรของเครื่องใช้ไฟฟ้าเกิดสนิม อาจเรียก ถา่ นไฟฉายวา่ เซลล์แห้ง ตัวอย่างถ่านไฟฉาย ดงั ภาพที่ 7.4 ภาพที่ 7.4 ตวั อย่างถ่านไฟฉาย ที่มา : http://www.thaigramophone.com/boarddetail.asp?qid=12414 ( สืบค้นเมอ่ื 5 ม.ี ค. 2559 ) ข. เซลล์แอลคาไลน์ ( Alkaline Cell ) เซลล์แอลคาไลน์ เป็นเซลล์ที่พัฒนาขึ้นมาจากเซลล์แห้งหรือเซลล์เลอคังเซ มีส่วนประกอบ ของเซลล์เช่นเดียวกัน แต่มีสิ่งที่แตกต่างกัน คือ ใช้สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) หรือ สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) เป็นอิเล็กโทรไลต์จึงมีชื่อว่า เซลล์แอลคาไลน์ ( แอลคาไลน์ หมายความว่า มีสมบัติเป็นเบส ) ใช้กับกล้องถ่ายรูป เครื่องเล่นวีซีดีแบบพกพา ส่วนประกอบของเซลล์ แอลคาไลน์ ดงั ภาพท่ี 7.5
193 + () () - MnO2 KOH ภาพที่ 7.5 ส่วนประกอบของแอลคาไลน์ เม่ือตอ่ ข้วั ไฟฟ้าครบวงจร ปฏกิ ิริยาที่เกดิ ข้นึ ภายในเซลล์เป็นดังนี้ ทขี่ ว้ั แอโนด Zn ถูกออกซไิ ดซ์ Zn(s) + OH-(aq) ZnO(s) + 2e- ที่ขวั้ แคโทด MnO2 ถูกรดี วิ ซ์ ไปเปน็ Mn2O3 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e- Mn2O3(s) + 2OH-(aq) ดงั นนั้ ปฏกิ ริ ิยารวมจึงเป็น Zn(s) + 2MnO2(s) ZnO(s) + Mn2O3(s) เซลล์แอลคาไลน์ให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ แต่ให้กระแสไฟฟ้าได้มากกว่าและนานกว่า เซลล์แห้งเพราะอเิ ล็กโทรไลต์มีความเข้มข้นคงที่ เนื่องจากน้ำและไฮดรอกไซด์ไอออนที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยา หมนุ เวยี นกลบั ไปเป็นสารตง้ั ตน้ ของปฏกิ ิริยาไดอ้ กี ตัวอย่างเซลลแ์ อลคาไลน์ ดังภาพท่ี 7.6 ภาพที่ 7.6 ตวั อย่างถ่านแอลคาไลน์ ทีม่ า : http://m.itruemart.com ( สบื คน้ เมอ่ื 5 มี.ค. 2559 )
194 ค. เซลล์ปรอท ( Mercury Cell ) เซลล์ปรอท เป็นเซลล์ที่มีส่วนประกอบคล้ายกับเซลล์แอลคาไลน์ แต่มีเมอร์คิวรี (II) ออกไซด์แทน แมงกานีส (IV) ออกไซด์ และใช้แผ่นเหล็กเป็นขั้วแคโทด ส่วนอิเล็กโทรไลต์ คือ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ หรอื โซเดยี มไฮดรอกไซด์ผสมกับซงิ ค์ไฮดรอกไซด์ (Zn(OH)2) ส่วนประกอบของเซลล์ปรอท ดงั ภาพที่ 7.7 () () KOH Zn(OH)2 HgO ภาพที่ 7.7 ส่วนประกอบของเซลล์ปรอท ทมี่ า : http://www.il.mahidol.ac.th ( สบื ค้นเมอื่ 5 มี.ค. 2559 ) เซลล์ปรอทเปน็ เซลล์ท่ีมีขนาดเล็กใช้กนั มากในเคร่ืองฟังเสียงสำหรับคนหูพกิ าร หรือใช้ในอุปกรณอ์ น่ื เช่น นาฬิกาข้อมือ เครือ่ งคิดเลข เซลล์น้ีใหศ้ ักย์ไฟฟ้า 1.3 โวลต์ มีปฏิกริ ยิ าเคมีดงั นี้ ที่ข้ัวแอโนด Zn(s) + 2OH-(aq) ZnO(s) + H2O(l) + 2e- ทข่ี ้วั แคโทด Hg(l) + 2OH-(aq) HgO(s) + H2O(l) + 2e- ZnO(s)+Hg(l) ปฏกิ ริ ิยารวม Zn(s) + HgO(s) ข้อดีของเซลล์ปรอทคือสามารถให้ศักย์ไฟฟ้าเกือบคงที่ตลอดอายุการใช้งาน มีราคาแพงกว่า เซลล์แห้งทั่วไป แต่มีข้อเสียคือเมื่อเซลล์เสื่อมสภาพ ปรอทกำจัดทิ้งได้ยากและเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม ตัวอยา่ งเซลลป์ รอท ดงั ภาพที่ 7.8
195 ภาพที่ 7.8 ตวั อย่างเซลล์ปรอท ทีม่ า : http://www.promma.ac.th ( สืบคน้ เม่ือ 5 ม.ี ค. 2559 ) ง. เซลล์เงิน เซลล์เงิน เป็นเซลล์ที่มีส่วนประกอบและหลักการเกิดปฏิกิริยาคล้ายกับเซลล์แอลคาไลน์ คือ ใช้สังกะสีเป็นขั้วแอโนดและแผ่นเหล็กที่สัมผัสกับซิลเวอร์ออกไซด์เป็นขั้วแคโทด ส่วนประกอบ ของเซลลเ์ งิน ดังภาพท่ี 7.9 () () Ag2O KOH Zn(OH)2 ภาพท่ี 7.9 สว่ นประกอบของเซลล์เงิน ปฏกิ ิรยิ าทเี่ กิดขนึ้ ในเซลล์เงินเปน็ ดังนี้ ZnO(s) + H2O(l) + 2e- ท่ีข้ัวแอโนด Zn(s) + 2OH-(aq) ทขี่ ้ัวแคโทด Ag2O(s) + 2OH-(aq) 2AgO(s) + H2O(l) + 2e-
196 ปฏิกริ ยิ ารวม ZnO(s) + Ag2O(s) Zn(s) + 2AgO(s) เซลล์เงินมีศกั ย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ มีขนาดเล็ก และมีอายุการใช้งานไดน้ านแต่มีราคาแพง ใชก้ ับกล้องถ่ายรูป เครื่องตรวจการเตน้ ของหวั ใจ และเคร่อื งชว่ ยฟงั เปน็ ต้น (2) เซลลท์ ุตยิ ภูมิ เซลลท์ ตุ ิยภมู ิ เปน็ เซลล์กลั วานิกประเภทหนงึ่ ทปี่ ฏิกิริยาในเซลล์สามารถย้อนกลับได้โดยการประจุ ไฟใหม่แล้วสามารถนำกลับมาใช้ได้อีก เช่น เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม ซ่ึงมีรายละเอียดดังน้ี ก. เซลล์สะสมไฟฟา้ แบบตะกวั่ เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เป็นแหล่งพลังงานในรถยนต์หรือจักรยานยนต์ เรียกชื่อทั่วไปว่า แบตเตอร่ี ประกอบดว้ ยเซลล์ไฟฟา้ หลาย ๆ เซลล์ตอ่ กนั แบบอนุกรม ในแตล่ ะเซลลป์ ระกอบด้วยแผ่นตะก่ัว เป็นขว้ั แอโนดและเลด (IV) ออกไซด์ ที่เคลอื บบนผวิ ตะกว่ั เปน็ ข้ัวแคโทด ใช้สารละลายกรดซัลฟิวริกเข้มข้น รอ้ ยละ 30 – 38 โดยมวล และเปน็ อิเลก็ โทรไลต์ แบตเตอร่ีทใ่ี ชใ้ นรถยนตป์ ระกอบดว้ ยเซลลไ์ ฟฟ้า 6 เซลล์ ในแต่ละเซลล์มีศักย์ไฟฟ้า 2 โวลต์ ดังนั้นแบตเตอรี่ในรถยนต์มีศักย์ไฟฟ้า 12 โวลต์ ตัวอย่างแบตเตอร่ี ในรถยนต์ ดังภาพที่ 7.10 ภาพที่ 7.10 ตวั อย่างแบตเตอรีใ่ นรถยนต์ ทีม่ า : http://www.gsbattery.co.th ( สบื ค้นเมื่อ 5 มี.ค. 2559 ) เมื่อมีการอัดไฟครั้งแรก แผ่นตะกั่วที่ต่อกับขั้วบวกของแบตเตอร่ี ( ขั้วแอโนด ) จะถูกออกซิไดซ์ เปน็ เลด (II) ไอออน ดงั สมการ Pb(s) Pb2+(aq)+2e-
197 เมื่อรวมกับออกซเิ จนท่เี กดิ ขึ้นจะกลายเป็นเลด(IV) ออกไซด์ Pb2+(aq) + O2(g) PbO2(s) ดังนั้นที่ขั้วแคโทด (ขั้วบวก) แผ่นตะกั่วจะถูกเปลี่ยนเป็นเลด (IV) ออกไซด์ขั้วไฟฟ้าจึงแตกตา่ งกนั ทำใหส้ ามารถเกดิ กระแสไฟฟ้าไดห้ รือจ่ายไฟได้น่ันเอง การจา่ ยไฟเกดิ ขึ้นดงั สมการ ขว้ั แอโนดหรอื ข้วั ลบ PbSO4(s)+2e- Pb(s) + SO42-(aq) PbSO4(s) + 2H2O(l) ขัว้ แคโทดหรือขว้ั บวก PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วแอโนดหรือขั้วลบผ่านวงจรภายนอกไปยังขั้วแคโทดหรือขั้วบวก จากสมการจะเกิดผลิตภัณฑ์ PbSO4(s) ขึ้นเหมือนกัน ดังนั้นเมื่อใช้แบตเตอรี่ไประยะหนึ่ง ความต่างศักย์ จะลดลง และจะลดลงไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งเป็นศูนย์ ทั้งนี้เนื่องจากขั้วไฟฟ้าทั้งคู่เหมือนกัน จึงไม่มี ความแตกตา่ งของศักยไ์ ฟฟา้ ระหวา่ งขว้ั ทั้งสอง ปฏิกิรยิ าของเซลล์ข้างบนผนั กลบั ได้ ดงั นน้ั ถา้ ตอ้ งการใหเ้ กิดการผันกลบั จงึ ตอ้ งมีการประจุไฟใหม่ โดยการต่อขั้วบวกของเซลล์กับขั้วบวกของแบตเตอรี่และขั้วลบกับขั้วลบของแบตเตอรี่ปฏิกิริยาข้างบน จะเปลี่ยนทิศทางจากขวาไปซ้าย ในลักษณะนี้เลด (II) ซัลเฟตที่ขั้วลบจะเปลี่ยนเป็นตะกั่ว ส่วนอีกข้ัว เลด (II) ซัลเฟตจะเปลีย่ นเป็นเลด (IV) ออกไซดใ์ นสมการ ขว้ั แอโนดหรอื ขวั้ บวก PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O(l) Pb(s) + SO42-(aq) ขั้วแคโทดหรือขวั้ ลบ PbSO4(s) + 2e- จากปฏิกิริยาในขณะที่มีการจ่ายไฟฟ้า ความเข้มข้นของกรดจะลดลงเรื่อย ๆ จากปกติที่มี ความถ่วงจำเพาะประมาณ 1.25 ถึง 1.30 ตามอุณหภูมิในขณะนั้น ๆ เมื่อใดมีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่า 1.20 ที่อุณหภมู ขิ องหอ้ งควรจะมีการประจไุ ฟใหม่ ส่วนประกอบของแบตเตอรใี่ นรถยนต์ ดังภาพท่ี 7.11
198 Pb PbO2 ภาพท่ี 7.11 สว่ นประกอบของแบตเตอร่ีในรถยนต์ ทีม่ า : http://www.il.mahidol.ac.th ( สบื ค้นเม่อื 5 มี.ค. 2559 ) ข. เซลล์นิกเกลิ - แคดเมยี ม เซลล์นิกเกิล – แคดเมียม หรือเซลล์นิแคด ( Nickel-Cadmium Cell ) มีโลหะแคดเมียม เป็นขั้วแอโนด และใช้สารประกอบของนิกเกิล (III) เช่น นิกเกิลออกไซด์ไฮดรอกไซด์ (NiO(OH) ที่ฉาบอยู่ บนโลหะนิกเกิลเป็นขั้วแคโทด โดยมีสารละลายเบส คือ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เป็นอิเล็กโทรไลต์ ปฏิกิริยาทีเ่ กิดการจ่ายไฟเปน็ ดงั นี้ ทข่ี ัว้ แอโนด Cd(OH)2(s) + 2e- Cd(s) + 2OH-(aq) Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq) Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s) ท่ีขวั้ แคโทด NiO2(s) + 2H2O(l) + 2e- ปฏกิ ิรยิ ารวม Cd(s) + NiO2(s) + 2H2O(l) เซลล์นิกเกิล – แคดเมียม ให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.2 โวลต์เมื่อใช้งานศักย์ไฟฟ้าจะต่ำลงเรื่อย ๆ จนหมด ต้องนำไปประจไุ ฟใหม่จงึ สามารถนำกลับมาใชไ้ ด้อกี ปฏิกิริยาระหว่างประจไุ ฟจะเกดิ การย้อนกลับ กับปฏิกิริยาการจ่ายไฟ นิยมใช้กับเครื่องคิดเลขของกล้องถ่ายรูป ข้อดี คือ มีขนาดเล็กและใช้งานได้นาน แตเ่ มอื่ เสื่อมสภาพต้องทงิ้ ซง่ึ แคดเมยี มเป็นโลหะมีพษิ ตวั อย่างเซลลน์ กิ เกิล – แคดเมียม ดังภาพท่ี 7.12
199 ภาพที่ 7.12 ตวั อย่างเซลลน์ ิกเกิล – แคดเมยี ม ทีม่ า : https://th.wikipedia.org ( สบื ค้นเม่อื 5 ม.ี ค. 2559 ) ค. เซลลล์ ิเทียม – ไอออนพอลเิ มอร์ เซลล์ลิเทียม – ไอออนพอลิเมอร์ เป็นเซลล์ที่มีลิเทียมเปอร์แมงกาเนต (LiMnO4) หรือ ลิเทียม โคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2) เป็นขั้วแอโนด แท่งแกรไฟต์เป็นขั้วแคโทด และมีอิเล็กโทรไลต์เป็นพอลิเมอร์ เช่น พอลิเอทิลนี ออกไซด์ ( polyethylene oxide ) ผสมกับเกลือลเิ ทยี ม เช่น เฮกซะฟลูโลฟอสเฟตลิเทียม (LiPF6) ปฏกิ ิรยิ าทีเ่ กิดขนึ้ เปน็ ดังนี้ ทขี่ ั้วแอโนด 6C + xLi+ LixC6 ที่ขว้ั แคโทด LiCoO2 Li1-x CoO2 + xLi+ + xe- ปฏกิ ริ ิยารวม Li1-x + CoO2 + LixC6 6C + LiCoO2 เซลล์ลิเทียม – ไอออนพอลิเมอร์อาจให้ศักย์ไฟฟ้าสูงถึง 3 โวลต์ มีน้ำหนักเบา จึงนิยมใช้กับ โทรศัพท์มอื ถือ คอมพิวเตอร์แบบพกพา ตวั อยา่ งเซลลล์ เิ ทยี ม – ไอออนพอลเิ มอร์ ดังภาพท่ี 7.13 ภาพที่ 7.13 ตัวอยา่ งเซลล์ลิเทยี ม – ไอออนพอลิเมอร์ ที่มา : http://www.aliexpress.com/price/li-50b-battery_price.html ( สืบคน้ เมื่อ 5 มี.ค. 2559 )
200 7.3.2 เซลล์อเิ ลก็ โทรไลติก เซลล์อเิ ลก็ โทรไลตกิ ( Electrolytic cell ) คือ เซลล์ไฟฟา้ เคมีทีเ่ ปล่ียนพลังงานไฟฟ้าเปน็ พลังงานเคมี เกิดจากการผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในเซลล์แล้วเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว จุ่มอยู่ใน สารละลายอิเล็กโทรไลต์ เม่อื ผา่ นไฟฟา้ จากแหลง่ กำเนิดไฟฟา้ กระแสตรงเข้าไปในเซลล์ จะเกิดปฏิกิรยิ าเกิดขึ้น ภายในเซลล์ เรียกกระบวนการนี้ว่า อิเล็กโทรลิซิส ( Electrolysis ) หรือกระบวนการแยกสลายด้วยไฟฟ้า และเรยี กเซลล์ไฟฟ้าเคมีน้ีวา่ เซลล์อเิ ล็กโทรไลติก สว่ นประกอบของเซลลอ์ เิ ล็กโทรไลติก ดงั ภาพที่ 7.14 () () ภาพท่ี 7.14 ส่วนประกอบของเซลล์อิเลก็ โทรไลติก ทมี่ า : www.myfirstbrain.com ( สืบคน้ เมอ่ื 5 มี.ค. 2559 ) เซลล์อิเล็กโทรไลติกต่างจากเซลล์กัลวานิกตรงขั้วไฟฟ้าเท่านั้น เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าตรงลงใน น้ำกลั่นท่ีหยดสารละลายกรดซลั ฟวิ ริกลงไป 2 – 3 หยด พบว่ามีฟองแก๊สเกดิ ขึ้นท่ีข้ัวไฟฟ้าทั้งสอง โดยข้วั ที่ต่อกับขั้วลบของแบตเตอรี่มแี ก๊สไฮโดรเจนท่ีติดไฟได้มีปริมาณมากกว่าแก๊สออกซิเจนที่ขั้วบวกซ่ึงช่วยให้ ไฟติด ปฏกิ ริ ยิ าทีข่ วั้ ไฟฟ้าทง้ั สองเป็นดังน้ี ขั้วแคโทด เปน็ ข้ัวทตี่ อ่ เขา้ กับ ขั้วลบ ของแหล่งกำเนิดไฟฟา้ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ า รดี กั ชัน (รับอเิ ล็กตรอน) 2H+(aq) + 2e- H2(g) ขว้ั แคโทด เป็นขัว้ ท่ีต่อขา้ กบั ขั้วลบ ของแหล่งกำเนดิ ไฟฟ้าเกดิ ปฏิกิรยิ า รีดักชัน (รับอิเลก็ ตรอน) H2O(l) 1 O2(g) + 2H+(aq) + 2e- 2 ปฏิกริ ยิ ารวม H2O(l) H2(g) + 1 O2(g) 2 หลกั การของเซลล์อเิ ลก็ โตไลติกนำไปใชป้ ระโยชน์ทางอุตสาหกรรม เชน่ การแยกสารเคมีดว้ ยไฟฟ้า การชบุ โลหะและการทำโลหะใหบ้ ริสทุ ธิ์
201 1. การแยกสารท่ีหลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟา้ สารไอออนิกจะเกิดการหลอมเหลว เมื่อได้รับความร้อนจนถึงจุดหลอมเหลว ทำให้ไอออนบวก และไอออนลบที่เป็นองค์ประกอบของสารเหล่านี้มีอิสระในการเคลื่อนที่ และนำไฟฟ้าได้ เมื่อผ่าน กระแสไฟฟ้าเขา้ ไปจะเกดิ ปฏิกิริยารดี ักชันและออกซิเดชันทีข่ ั้วไฟฟา้ เช่น การแยกสารแคลเซียมคลอไรด์ (CaCl2) ทห่ี ลอมเหลวดว้ ยกระแสไฟฟา้ ดงั ภาพท่ี 7.15 + Battery - e- e- Cl- Ca2+ ทห่ี CลอaCมเlห2 ลว ภาพท่ี 7.15 การแยก CaCl2 ทห่ี ลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟา้ ทม่ี า : http://www.promma.ac.th ( สบื ค้นเม่ือ 5 มี.ค. 2559 ) ในการแยก CaCl2 ท่หี ลอมเหลวดว้ ยกระแสไฟฟ้า ปฏิกิรยิ าทีเ่ กิดขึ้นเป็นดังนี้ แคโทด แคลเซียมไอออนเกดิ ปฏกิ ริ ิยารีดักชัน ดังสมการ Ca2+(l) + 2e- Ca(s) แอโนด คลอไรดไ์ อออนเกิดปฏกิ ิรยิ าออกซเิ ดชัน ดงั สมการ 2Cl-(l) Cl2(g) + 2e- ปฏิกริ ิยารวม Ca2+(l) + 2Cl-(l) Ca(s) + Cl2(g) สำหรับสารละลายของสารประกอบไอออนิกที่มีความเข้มขน้ มากและมีน้ำอยู่นอ้ ย เมื่อนำไปแยก ด้วยกระแสไฟฟา้ จะเกิดปฏกิ ริ ิยาข้นึ เช่นเดียวกับการแยกสารทห่ี ลอมเหลว
202 2. การชบุ ดว้ ยไฟฟ้า การชุบดว้ ยไฟฟา้ เปน็ หลกั การของเซลล์อิเล็กโทรไลติกสามารถนำไปใช้ในการทำใหโ้ ลหะชนิดหนึ่ง เคลือบอยบู่ นผวิ ของโลหะอีกชนดิ หน่ึงได้ซ่ึงเรยี กว่า การชุบดว้ ยไฟฟา้ ( electroplating ) เช่น การชุบโลหะ การชุบชอ้ นโลหะด้วยเงนิ เมื่อผ่านไฟฟ้ากระแสตรงเข้าไปในเซลล์ ไอออนของโลหะในสารละลายที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าน้ำ จะรบั อิเล็กตรอนจากวัตถุ ( ชน้ิ งาน ) ทต่ี อ่ อยู่กับข้ัวลบของเครอ่ื งกำเนิดไฟฟ้าหรือแคโทด เกิดเป็นอะตอม ของโลหะเคลือบติดอยู่ที่ผิวของวัตถุที่นำมาชุบ ขณะเดียวกันโลหะที่ขั้วบวกหรือแอโนดจะเกิดปฏิกิริยา ออกซิเดชันได้ไอออนของโลหะที่ละลายอยู่ในสารละลาย เพื่อชดเชยไอออนของโลหะที่เปลี่ยนแปลงไป เป็นอะตอมของโลหะขณะชุบ ดังนั้นแอโนดจะสึกกร่อนไป ส่วนแคโทดจะมีโลหะมาเกาะเพิ่มข้ึน เช่น ชบุ ชอ้ นเหลก็ ด้วยโลหะเงิน ดงั ภาพท่ี 7.16 Battery e- e- aSnilovdeer Ag+ cSaptohoonde No3- Ag+ ภาพที่ 7.16 การจัดอุปกรณ์เพ่อื ชุบช้อนเหล็กดว้ ยโลหะเงิน ทม่ี า : http://www.promma.ac.th ( สบื คน้ เมอื่ 5 ม.ี ค. 2559 ) การชุบช้อนเหล็กด้วยโลหะเงินต้องให้โลหะเงินมาเคลือบบนช้อนเหล็ก ทำได้โดยนำช้อนเหล็ก ไว้กับขั้วลบของแบตเตอรี่ ( เป็นขั้วแคโทด ) จุ่มในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ที่มีไออนของโลหะที่ใช้ชุบ คอื Ag+(aq) การจัดเซลล์เพ่อื ชบุ โลหะมีหลักการดังนี้ (1) นำวตั ถุที่จะชบุ ไปต่อเขา้ กับขวั้ ลบของแบตเตอรี่หรือแคโทด ส่วนโลหะท่ีเป็นตัวชุบต่อเขา้ กับ ข้ัวบวกของแบตเตอรี่หรือเป็นแอโนด (2) สารละลายอิเล็กโทรไลตต์ อ้ งมีไอออนของโลหะชนิดเดียวกับโลหะท่ีเปน็ แอโนดหรือโลหะท่ีใช้ชุบ (3) ใช้ไฟฟ้ากระแสตรงเพอื่ ให้ขว้ั ไฟฟ้าเป็นขัว้ บวกและลบคงเดมิ
203 3. การทำโลหะให้บริสทุ ธิโ์ ดยใชเ้ ซลลอ์ ิเลก็ โทรไลตกิ การทำโลหะให้บริสุทธิ์ มีหลักการ คือใช้โลหะบริสุทธิ์ต่อเข้ากับขั้วลบของแบตเตอรี่ ( แคโทด ) และโลหะทไ่ี ม่บรสิ ทุ ธิต์ ่อเข้ากับข้ัวบวก ( แอโนด ) ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ต้องมไี อออนของโลหะบริสุทธ์ิ เชน่ การทำทองแดงให้บริสุทธ์ิ ดังภาพท่ี 7.17 + - CuSO4 + H2SO4 ภาพที่ 7.17 การทำทองแดงให้บริสุทธิ์ ทม่ี า : www.myfirstbrain.com ( สบื ค้นเม่ือ 5 มี.ค. 2559 ) การทำทองแดงให้บริสุทธิ์ ทำได้โดยนำทองแดงที่ไม่บริสุทธิ์มาต่อเป็นขั้วแอโนดของเซลล์ และใช้ทองแดงบริสุทธิ์เป็นขั้วแคโทด ขั้วไฟฟ้าทั้งสองจุ่มอยู่ในสารละลายผสมของ CuSO4 และ H2SO4 เมื่อผ่านไฟฟ้ากระแสตรงที่มีศักย์ไฟฟ้าที่เหมาะสมเข้าไปในเซลล์ Cu2+ ในสารละลายจะรับอิเล็กตรอน ที่ข้ัวแคโทดเกดิ เป็นทองแดงบริสุทธ์ิ ขณะเดยี วกนั ท่ขี ั้วแอโนดโลหะทองแดงจะใหอ้ ิเลก็ ตรอนเกิดเป็น Cu2+ ละลายลงไปในสารละลายส่วนโลหะที่เจือปนอยู่กับทองแดง เช่น สังกะสีและเหล็กเป็นโลหะท่ีสูญเสีย อิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าทองแดง จึงถูกออกซิไดส์เป็น Fe2+ และ Zn2+ ปนอยู่ในสารละลาย ส่วนโลหะเงิน ทองคำและแพลทินัม เสียอิเล็กตรอนได้ยากกว่าโลหะทองแดง จะไม่ถูกออกซิไดส์ จึงตกตะกอน อยู่ท่ีก้นภาชนะ ปฏกิ ริ ยิ าทแ่ี คโทดและแอโนดเป็นดังนี้ แคโทด Cu(s) Cu2+ (aq) + 2e- แอโนด Cu(s) Cu2+(aq) + 2e- Fe(s) Fe2+(aq) + 2e- Zn(s) Zn2+(aq) + 2e-
204 โลหะทองแดงที่ได้จากการถลุงจะมีความบริสุทธิ์ไม่เกนิ 99% ที่เหลือเป็นสิ่งเจือปน เช่น สังกะสี เหล็ก เงิน และทองคำ จึงมีผลทำให้ทองแดงนำไฟฟ้าได้ลดลง ถ้าต้องการทำให้ทองแดงมีความบริสุทธ์ิ มากขึ้น สามารถนำไฟฟ้าได้ดีขึ้น จะใช้หลักการของเซลล์อิเล็กโทรไลติกเพื่อแยกทองแดงให้บริสุทธิ์ได้ถงึ 99.95% เซลล์กัลวานิกและเซลล์อิเล็กโทรไลติกเป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมี ที่มีความแตกต่างกันหลายประการ ดงั ตารางท่ี 7.2 ตารางท่ี 7.2 เปรียบเทียบความแตกต่างของเซลลก์ ัลวานกิ และเซลลอ์ ิเลก็ โทรไลตกิ เซลลก์ ลั วานกิ เซลล์อิเลก็ โทรไลติก 1. จากปฏิกริ ิยาเคมเี ป็นพลงั งานไฟฟา้ 1. จากพลังงานไฟฟา้ เปน็ ปฏกิ ิริยาเคมี 2. เปน็ ปฏกิ ริ ิยาท่สี ามารถเกดิ ข้นึ ไดเ้ อง 2. เปน็ ปฏิกิรยิ าที่ไม่สามารถเกดิ ขึน้ ได้เอง ตอ้ งใช้ พลังงานไฟฟา้ ทำใหเ้ กิดปฏกิ ิริยา 3. ค่าศกั ย์ไฟฟา้ ของเซลล์ ( E˚) เป็นบวกเสมอ 3. ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ ( E˚) เปน็ ลบ 4. ขั้วแอโนดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเป็นขั้วลบ 4. ข้วั แอโนดเกิดปฏิกิรยิ าออกซเิ ดชนั เปน็ ขวั้ บวก ขั้วแคโทดเกิดปฏกิ ริ ิยารดี กั ชันเปน็ ขั้วบวก ขัว้ แคโทดเกิดปฏิกิรยิ ารดี กั ชันเป็นข้ัวลบ
Search
Read the Text Version
- 1 - 31
Pages: