galvanic cell

BENCHAMARACHUTHIT CHANTHABURI 1

Electrochemistry BOONCHEERA THANNIKORN Chemistry department BENCHAMARACHUTHIT CHANTHABURI SCHOOL [email protected] 2

จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. ทาการทดลองเพอื่ ศกึ ษาถา่ ยโอนอเิ ลก็ ตรอนในเซลล์ กลั วานิก อธิบายการเกิดกระแสไฟฟ้าในเซลลก์ ัลวานิก และบอกไดว้ ่าขั้วไฟฟ้าใดเป็ นแอโนดหรือแคโทด รวมทงั้ บอกหน้าทข่ี องสะพานเกลือได้ 2. เขยี นสมการแสดงปฏกิ ริ ิยาทเี่ กดิ ขนึ้ ทแ่ี อโนด แคโทดและ ปฏกิ ริ ิยารีดอกซไ์ ด้ 3

Electrochemical Cell แบง่ ออกเป็ น 2 ชนิด คอื 1.เซลลก์ ัลวานิก 2. เซลลอ์ เิ ล็กโทรไลต์ (Galvanic cell or Voltaic cell) (Electrolytic cell) พลงั งานเคมี พลงั งานไฟฟ้า พลงั งานไฟฟ้า พลงั งานเคมี 4

Electrochemical Cell พลังงานเคมี Galvanic cell พลังงานไฟฟ้า (ปฏกิ ริ ิยาเคมี) Electrolytic cell (กระแสไฟฟ้า) เซลลท์ งั้ สองชนิดนีม้ ีส่วนประกอบและหลักการทางานอยา่ งไร ? 5

ส่วนประกอบของ.... เซลลก์ ัลวานิก (Galvanic cell or Voltaic cell) 6

alf cell ประกอบดว้ ย - โลหะซง่ึ เป็ นขั้วไฟฟ้า จุม่ อยู่ในสารละลาย โลหะไอออน - อโลหะกับอโลหะไอออน หรือ ไอออนสอง ชนิด ( มักใช้ขั้วเฉื่อย เช่น Pt , C เป็ นขั้วไฟฟ้า เพราะอโลหะหรือไอออน ไม่สามารถเป็ น ขั้วไฟฟ้าได)้ ดังแสดง 7

Zn(s) Zn2+(aq) + 2e Zn SO42- Zn(s) Zn2+ 8 Zn2+(aq) + 2e Zn(s)|Zn2+(aq,1mol/dm3) reducer oxidiser

Cu(s) Cu2+(aq) + 2e Cu SO42- Cu2+ Cu2+ Cu2+(aq) + 2e Cu(s) Cu(s)|Cu2+(aq,1mol/dm3) 9 reducer oxidiser

+2 +4 Sn2+(aq) Sn4+(aq) + 2e +4 S+2n2+(aq) Sn4+(aq) + 2e- 10 Pt(s) | Sn2+(aq) , Sn4+(aq) reducer oxidiser

0 +1 H2(g) 2H+(aq) + 2e- +1 0 2H+(aq) + 2e- H2(g) Pt(s) | H2(g,1atm) | H+(aq ,1 mol/dm3) reducer oxidiser 11

Electrolyte คอื สารทห่ี ลอมเหลวหรือละลายนา้ แล้วนาไฟฟ้าได้ เพราะมไี อออนบวก และไอออนลบเคลื่อนทไี่ ดอ้ ย่างอสิ ระในสารละลาย เช่น CuSO4 Cu2+(aq) + SO42-(aq) Zn2+(aq) + SO42-(aq) ZnSO4 Ag+(aq) + NO3-(aq) AgNO3 12

ขัว้ ไฟฟ้า(Electhode) เรียกตาม การเกดิ ปฏกิ ริ ิยา การเคลื่อนทข่ี องe- Oxidation reaction Reduction reaction e-ไหลออก e-ไหลเข้า ขัว้ แอโนด ขัว้ แคโทด ขั้วลบ ขั้วบวก (Anode ) (Cathode )

Password TO DAY ข้วั ลบ – เป็ นข้วั แอโนด (ศักย์ตา่ ) -เกดิ ปฏกิ ริ ิยาออกซิเดชัน ขัว้ บวก – เป็ นข้วั แคโทด (ศักย์สูง) - เกดิ ปฏกิ ริ ิยารีดกั ชัน หลกั การเซลล์กลั วานิก เปลยี่ นรูปพลงั งานเคมเี ป็ นพลงั งานไฟฟ้า กระแสอเิ ลก็ ตรอนไหลจากคร่ึงเซลล์ทม่ี ีศักย์ต่าไปยงั คร่ึงเซลล์ทม่ี ศี ักย์สูง กระแสไฟฟ้าไหลจากครึ่งเซลล์ทมี่ ีศักย์สูงไปยงั คร่ึงเซลล์ทมี่ ีศักย์ตา่

Password TO DAY ข้วั บวก – เป็ นข้วั แอโนด -เกดิ ปฏกิ ริ ิยาออกซิเดชัน ข้วั ลบ– เป็ นข้วั แคโทด - เกดิ ปฏิกริ ิยารีดกั ชัน หลกั การเซลล์อเิ ลก็ โทรไลต์ เปลย่ี นรูปพลงั งานไฟฟ้าเป็ นพลงั งานเคมี 15

Password Last DAY ตวั รีดวิ ซ์ หรือตวั ถกู ออกซไิ ดส์ เป็ นตวั ใหอ้ เิ ล็กตรอน เลขออกซเิ ดชันเพมิ่ ขึน้ เกิดปฏกิ ิริยาออกซเิ ดชัน ตวั ออกซไิ ดส์ หรือตวั ถูกรีดวิ ซ์ รับอเิ ล็กตรอน -เลขออกซเิ ดชันลดลง เกิดปฏิกริ ิยารีดกั ชัน 16

Password Last DAY เป็ นปฏกิ ิริยารีดอกซ์ เพราะเลขออกซเิ ดชันเปลี่ยน เนื่องจาก มกี ารใหแ้ ละรับอเิ ล็กตรอน เป็ นปฏิกริ ิยานอนรี-ดอกซ์ เพราะเลขออกซเิ ดชันไม่เปล่ียน เนื่องจากไม่มีการใหแ้ ละรับอเิ ล็กตรอน 17

เซลล์กลั วานิก(Galvanic cell) 18

เซลล์กลั วานิก(Galvanic cell)  Voltmeter คร่ึงเซลล์ 2 ครึ่งเซลล(์ Half cell) Salt bridge สะพานเกลือ(Salt bridge) ขัว้ ไฟฟ้า(Electhode) 1 2 สารละลายอเิ ลก็ โทรไลต์ (Electrolyte solution) 19

20

การทดลองที่ 9.2 การถา่ ยโอนอิเล็กตรอนในเซลลก์ ลั วานิก  วธิ ีการทดลอง 1. จุม่ แผ่นทองแดงขนาด 0.5 cm x 5.0 cm ลงในบกี เกอรข์ นาด 50 cm3 ทม่ี สี ารละลาย CuSO4 1 mol/dm3 ปริมาตร 20 cm3 เขียนฉลาก Cu(s)|Cu2+(aq) ตดิ ทข่ี ้างบกี เกอร์ และจมุ่ แผ่นสังกะสีขนาด 0.5 cm x 5.0 cm ลงในบกี เกอรข์ นาด 50 cm3 ทมี่ สี ารละลาย ZnSO4 1 mol/dm3 ปริมาตร 20 cm3 และเขียนฉลากZn(s)|Zn2+(aq) ตดิ ทข่ี ้างบกี เกอร์ 21

การถา่ ยโอนอเิ ล็กตรอนในเซลลก์ ลั วานิก 2. นาบกี เกอรท์ ม่ี โี ลหะจุม่ อยใู่ นสารละลายทเี่ ตรียมไว้ในข้อ 1 มาวางชดิ กัน ใช้สะพานเกลือ (ทาจากกระดาษกรองขนาด 1.0 cm x 8.0 cm ชุบ สารละลายอมิ่ ตวั KNO3) วางพาดบกี เกอรท์ งั้ สองใหป้ ลายกระดาษจุม่ ในสารละลายของแต่ละบกี เกอร์ 3.ต่อแผ่นทองแดงและแผ่นสังกะสีเข้ากับโวลตม์ เิ ตอร์ สังเกตทศิ ทางการ เบนของเขม็ โวลตม์ เิ ตอรแ์ ละอ่านค่าความตา่ งศักย์ 22

การถ่ายโอนอเิ ล็กตรอนในเซลลก์ ลั วานิก 4. สลับขั้วของโวลตม์ เิ ตอร์ สังเกตทศิ ทางการเบนของเขม็ โวลต์ มเิ ตอรแ์ ละอา่ นคา่ ความตา่ งศักย์ 5. ใช้หลอดไฟขนาด 1.0 V มาตอ่ กับขั้วทองแดงและขัว้ สังกะสีแทน โวลตม์ ิเตอร์ สังเกตการเปลี่ยนแปลง 23

1.ทาการทดลองเพอื่ ศึกษาการถ่ายโอนอเิ ล็กตรอนในเซลลก์ ลั วานิกได้ 2.บอกทศิ ทางในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนในเซลลก์ ลั วานิกได้ 3.บอกไดว้ ่าคร่ึงปฏิกิริยาใดเกดิ ปฏกิ ิริยาออกซเิ ดชันหรือปฏกิ ิริยา รีดักชัน 4.บอกหน้าทขี่ องสะพานเกลือได้ 24

เซลล์กัลวานิก anode cathode oxidation reduction spontaneous redox reaction 25

คร่ึงเซลลท์ น่ี ามาตอ่ กัน ขั้วโลหะทเี่ ขม็ ของ ความตา่ งศกั ย์ มิเตอรเ์ บนเข้าหา (V) Cu(s)|Cu2+(aq) กับ Zn(s)|Zn2+(aq) Cu(s)|Cu2+(aq) กบั Mg(s)|Mg2+(aq) กัน 1.10 Zn(s)|Zn2+(aq)กับ Mg(s)|Mg2+(aq) 2.71 Cu(s)|Cu2+(aq) กับ Fe(s)|Fe2+(aq) Cu(s) 1.60 Zn(s)|Zn2+(aq)กับ Fe(s)|Fe2+(aq) Cu(s) 0.78 Fe(s)|Fe2+(aq) กับ Mg(s)|Mg2+(aq) Zn(s) 0.32 1.92 Cu(s) Fe(s) Fe(s)

1. เมอื่ ตอ่ เซลลก์ ลั วานิกครบวงจรแล้วเขม็ ของมิเตอรเ์ บนไปจาก ขดี ศูนย์ แสดงว่าเกิดการถา่ ยโอนอเิ ล็กตรอนและมี กระแสไฟฟ้าเกดิ ขึน้ 2. เมอ่ื ตอ่ ครึ่งเซลล์ Cu(s)|Cu2+(aq) กบั คร่ึงเซลล์ Zn(s)|Zn2+(aq) ใหค้ รบวงจรพบว่าเขม็ ของมเิ ตอรเ์ บนเข้าหาขั้วทองแดง แสดง ว่าขัว้ สังกะสีใหอ้ เิ ล็กตรอนแก่ Cu2+(aq) ทอ่ี ย่รู อบๆขัว้ ทองแดง มีการถา่ ยโอนอิเล็กตรอนระหวา่ งสังกะสีกบั Cu2+(aq) 27

3. เมือ่ สังกะสีใหอ้ เิ ล็กตรอนเกดิ เป็ น Zn2+(aq) ผิวของสังกะสจี ะกร่อน ไปอเิ ล็กตรอนจากขัว้ สังกะสีจะเคลื่อนทผ่ี ่านลวดตวั นาไปยงั ขวั้ ทองแดงส่วน Cu2+(เaกqา)ะในทข่ี สัว้ าทรอลงะแลดางยทCาใuหSส้ Oา4รจละะรลับาอยิเสลีฟ็ก้าตมรีสอีจนาเงกลดิ ง เป็ นทองแดง ดงั นั้นครึ่งเซลล์ Zn(s)|Zn2+(aq) จงึ เกิดปฏกิ ิริยาออกซิเดชัน และ ในครึ่งเซลล์ Cu(s)|Cu2+(aq) เกิดปฏกิ ริ ิยารีดักชนั สาหรับเซลลค์ ู่ อนื่ ๆก็อธิบายในทานองเดยี วกัน 28

4. เมอ่ื นาสองคร่ึงเซลลม์ าตอ่ ใหค้ รบวงจรแล้วมกี ระแสไฟฟ้าไหลในวงจร ในครึ่งเซลลท์ เ่ี กิดปฏกิ ิริยารีดกั ชันมีไอออนบวกในสารละลายลดลง ไอออนบวกจากสะพานเกลือจงึ เคลื่อนทลี่ งไปแทนที่ ขณะเดยี วกัน ไอออนลบจากสารละลายจะแพร่ผ่านสะพานเกลือเพอื่ รักษาดลุ ทาง ไฟฟ้าส่วนในครึ่งเซลลท์ เี่ กิดปฏกิ ิริยาออกซเิ ดชนั มีไอออนบวกใน สารละลายเพมิ่ ขึน้ ไอออนลบจากสะพานเกลือจงึ เคล่ือนลงมาในสาระลายและขณะเดยี วกัน ไอออนบวกจากสารละลายกจ็ ะแพร่ผ่านสะพานเกลือเพอื่ รักษาสมดุลทาง ไฟฟ้าการเปล่ียนแปลงดงั กล่าวนีเ้ กิดขนึ้ พร้อมกันตลอดเวลา ดงั นั้นสะพาน เกลือจงึ ทาหน้าทร่ี ักษาดุลยภาพระหว่างไอออนบวกกับไอออนลบในเซลล์ 29

เซลล์กัลวานิก anode cathode oxidation reduction spontaneous redox reaction 30

การถ่ายโอนอเิ ลก็ ตรอนในเซลลก์ ัลวานิก (Zn(s)|Zn2+(aq) กับ Cu(s)|Cu2+(aq) Zn2+ SO42- Cu2+ SO42- ZnSO4 CuSO4 oxidation : Zn(s)  Zn2+(aq) + 2e- reduction: Cu2+(aq) + 2e-  Cu(s) Redox reaction : Zn(s) + Cu2+(aq)  Zn2+(aq) + Cu(s) 31

การถา่ ยโอนอเิ ลก็ ตรอนในเซลลก์ ัลวานิก (Zn(s)|Zn2+(aq) กับ Mg(s)|Mg2+(aq) 1.60 V Mg Zn (s) MgSO4 (aq) ZnSO4 (aq) oxidation : Mg(s)  Mg2+(aq) + 2e- reduction: Zn2+(aq) + 2e-  Zn(s) Redox reaction : Mg(s) + Zn2+(aq)  Mg2+(aq) + Zn(s) 32

การถา่ ยโอนอเิ ลก็ ตรอนในเซลลก์ ัลวานิก (Zn(s)|Zn2+(aq) กับ Mg(s)|Mg2+(aq) Mg(s) 1.60 v Zn(s) Anode (-) Salt bridge I Cathode (+) 2e- Mg2+ Zn2+ SO42- Mg2+ SO42- reduction: Zn2+(aq) + 2e-  Zn(s) oxidation : Mg(s)  Mg2+(aq) + 2e- Redox reaction : Mg(s) + Zn2+(aq)  Mg2+(aq) + Zn(s) 33

การถา่ ยโอนอเิ ลก็ ตรอนในเซลลก์ ัลวานิก (Cu(s)|Cu2+(aq) กับ Fe(s)|Fe2+(aq) Fe(s) 0.78 v Cu(s) Anode (-) Salt bridge I Cathode (+) 2e- Fe2+ Fe2+ Cu2+ SO42- SO42- reduction: Cu2+(aq) + 2e-  Cu(s) oxidation : Fe(s)  Fe2+(aq) + 2e- Redox reaction : Fe(s) + Cu2+(aq)  Fe2+(aq) + Cu(s) 34

การถ่ายโอนอเิ ลก็ ตรอนในเซลลก์ ัลวานิก (Zn(s)|Zn2+(aq) กับ Fe(s)|Fe2+(aq) Zn(s) 0.32v Fe(s) Anode (-) Salt bridge I Cathode (+) 2e- Zn2+ Fe2+ SO42- Zn2+ SO42- oxidation : Zn(s)  Zn2+(aq) + 2e- reduction: Fe2+(aq) + 2e-  Fe(s) Redox reaction : Zn(s) + Fe2+(aq)  Zn2+(aq) + Fe(s) 35

การถา่ ยโอนอเิ ลก็ ตรอนในเซลลก์ ัลวานิก (Fe(s)|Fe2+(aq) กับ Mg(s)|Mg2+(aq) Mg(s) 1.98v Fe(s) Anode (-) Salt bridge I Cathode (+) 2e- Mg2+ Fe2+ SO42- Mg2+ SO42- oxidation : Mg(s)  Mg2+(aq) + 2e- reduction: Fe2+(aq) + 2e-  Fe(s) Redox reaction : Mg(s) + Fe2+(aq)  Mg2+(aq) + Fe(s) 36

ลาดบั ความสามารถใน ลาดบั ความสามารถใน การเป็ นตวั ออกซไิ ดส์ การเป็ นตัวรีดวิ ซ์ Ag ตวั รีดวิ ซท์ ไี่ มด่ ี ตัวออกซิไดสท์ ่ี ดี Ag+ Cu Cu2+ Fe Fe2+ Zn Zn2+ Mg ตัวรดี วิ ซท์ ี่ ดี Mgตัวออกซิไดสท์ ไี่ ม่ ดี2+ 37

oxidation : H2(g)  2H+(aq) + 2e- reduction: Cu2+(aq) + 2e-  Cu(s) Redox reaction : H2(g) + Cu2+(aq)  2H+(aq) + Cu(s) Reducer : Oxidiser: Compare Reducer : H2(g) > Cu(s) H2(g) Cu2+(g) Compare Oxidiser : H+(aq) < Cu2+(aq) 38

oxidation : H2(g)  2H+(aq) + 2e- reduction: Cu2+(aq) + 2e-  Cu(s) Redox reaction : H2(g) + Cu2+(aq)  2H+(aq) + Cu(s) Reducer : Oxidiser: Compare Reducer : H2(g) > Cu(s) H2(g) Cu2+(g) Compare Oxidiser : H+(aq) < Cu2+(aq) 39

แบบฝึ กหัด • จงกาหนดขัว้ บวก, ลบ,แคโทด,แอโนดและการเบนของเข็มลง ในรูปภาพ • ตัวReduce ไดแ้ ก่ • ตวั Oxidize ไดแ้ ก่ • ปฏิกิริยา Oxidation ไดแ้ ก่ • ปฏกิ ิริยา Reduction ไดแ้ ก่ • ปฏิกริ ิยา Redox ได้แก่ • เม่ือปฏิกิริยาดาเนินไป ดา้ น Cathode สังเกตเหน็ อะไร 40

• เมอ่ื ปฏกิ ริ ิยาดาเนินไป ดา้ น Anode สังเกตเหน็ อะไร • เม่ือปฏกิ ริ ิยาดาเนินไป สารละลายดา้ น Cathode มี ไอออนใดเพม่ิ มากขนึ้ • เมอ่ื ปฏกิ ริ ิยาดาเนินไป สารละลายดา้ น Anode มีไอออน ใดเพม่ิ มากขนึ้ 41

• สะพานไอออนทาหน้าทอี่ ะไร • อเิ ล็กตรอนหยุดไหลเม่อื ใด • E0cell มีค่าเทา่ กับ • จงเขียนแผนภาพ 42

แผนภาพอย่างย่อแสดงเซลล์กลั วานิก เขยี นครึ่งเซลล์ Anode ไวท้ างซ้าย Cathode ไวท้ างขวา โดยเขยี นขวั้ ไฟฟ้าไว้ นอกสุดตามดว้ ยไอออนในสารละลาย ใชเ้ ครื่องหมาย | ค่ันระหว่างขวั้ ไฟฟ้ากับสารละลาย ใชเ้ ครื่องหมาย || แทนสะพานไอออน เขยี นไว้ระหว่าง Anode กบั Cathode 43

แผนภาพอย่างย่อแสดงเซลล์กลั วานิก Cu(s) / Cu2+(aq) // Ag+(aq) / Ag(s) 44

แผนภาพอยา่ งยอ่ แสดงเซลลก์ ัลวานิก กรณีทคี่ รึ่งเซลลใ์ ดสารละลายมี ไอออนมากกวา่ 1 ชนิดใหใ้ ช้ เคร่ืองหมาย , (จุลภาค) ค่ัน ระหวา่ งไอออนแตล่ ะชนิด….. Pt(s) / Fe2+(aq),Fe3+(aq) // Ag+(aq) / Ag(s) 45

แผนภาพอย่างย่อแสดงเซลล์กลั วานิก กรณีทขี่ ัว้ ไฟฟ้าของคร่ึงเซลลเ์ ป็ นขั้ว ซกง๊าึ่ ไซBมrเ่น2ชา่นไฟHฟ2 ้า, Cl2 หรือขัว้ ของเหลว เช่น ตอ่ จะต้องใช้โลหะทเี่ ฉ่ือย ปฏกิ ริ ิยาเป็ นขั้วไฟฟ้า เช่น Pt การเขยี นคร่ึงเซลล์ให้ใช้เคร่ืองหมาย( , ) คน่ั ระหว่างข้วั โลหะกบั ข้ัวก๊าซหรือข้ัวของเหลว Zn(s) |Zn2+(aq) || H+(aq) |H2(g) | Pt(s) 46

ข้วั ไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard Hydrogen Electrode : SHE) ภาวะมาตรฐาน • ความดนั แก๊ส = 1 atm • ความเข้มข้น = 1 M • อุณหภมู ิ = 25C กาหนดค่าศักยไ์ ฟฟ้ามาตรฐาน ของครึ่งเซลล์ (E) = 0.000 V 47

การหาค่าศักย์ไฟฟ้าของคร่ึงเซลล์ E0cell = E0cathode – E0anode 48 0.34 V = E0Cu – 0.00 V E0Cu = 0.34 V

การหาค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ E0cell = E0cathode – E0anode 49 0.76 V = 0.00 V – E0Zn E0Zn = -0.76 V

ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์ 50