ไฟฟ้าเคมี

ไฟฟ้ าเคมี รายวิชา เคมี4 ว30224 ชนั้ มธั ยมศึกษาปี ที่ 5 โดย นางสาวเกศกนก ใจวงั ตาแหน่งครู โรงเรียนเฉลิมพระเกียรติสมเดจ็ พระศรีนครินทร์ พะเยา ในพระราชปู ถมั ภส์ มเดจ็ พระเทพรตั นราชสดุ าฯ สยามบรมราชกมุ ารี

หวั ขอ้ ไฟฟ้าเคมี 9.1 ปฏิกิริยารีดอกซ์ 9.2 การดลุ สมการรีดอกซ์ 9.3 เซลลไ์ ฟฟ้ าเคมี 9.3.1 เซลลก์ ลั วานิก 9.3.2 เซลลอ์ ิเลก็ โทรไลต์ 9.3.3 การผกุ ร่อนของโลหะและการป้ องกนั 9.4 ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกบั เซลลไ์ ฟฟ้ า เคมี

ไฟฟ้ าเคมี การเปล่ียนแปลงพลงั งาน พลงั งานไฟฟ้ า และ จากปฏิกิริยาเคมี ปฏิกิริยาเคมี จากพลงั งานไฟฟ้ า ปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox) การถ่ายเทอิเลก็ ตรอน ให้และรบั อิเลก็ ตรอนเกิดขึน้ พรอ้ มกนั จานวนอิเลก็ ตรอนที่ให้และรบั ต้องมีจานวนเท่ากนั ประกอบด้วย ครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชนั และ ครงึ่ ปฏิกิริยารีดกั ชนั รวมกนั Redox = Reduction + Oxidation

ทบทวนเลขออกซเิ ดชนั (Oxidation Number) O.N. 1. ธาตอุ ิสระหรอื ธาตบุ ริสทุ ธ์ิ O.N.= 0 เช่น Na Cu O2 N2 S8 2. โลหะหมู่ I O.N. = +1 เสมอ เช่น Li + Na + K + 3. โลหะหมู่ II O.N. = +2 เสมอ เช่น Be2+ Mg2+ 4. H มี O.N. = +1 ยกเว้น สารประกอบโลหะไฮไดรด์ เช่น NaH LiH KH ซ่ึง H มี O.N.= -1 5. O มี O.N. = -2 ยกเว้น - สารประกอบเปอรอ์ อกไซด์ เช่น H2O2 , O มี O.N.= -1 - สารประกอบซุปเปอรอ์ อกไซด์ เช่น NaO2 , O มี O.N. = -1/2 6. ธาตหุ มู่ VII มี O.N. = -1 เช่น F- Cl- Br- I- 7. O.N.ไอออนอะตอมเด่ียว = ประจขุ องไอออนนัน้ เช่น Na + มี O. N. = +1, O 2- มี O.N. = -2 8. O.N.สารประกอบ = ประจทุ ี่แสดงไอออนนัน้ เช่น SO 4 2- มี O.N. รวม = -2, NO2 มี O.N. รวม = 0

ตวั อยา่ งการหาเลขออกซเิ ดชนั Mn2O7 =2Mn + 2Mn + 7(-2) =0 2Mn = 14 Mn = +7 MnSO4 = Mn + S Mn + (-2) =0 Mn = +2

Oxidation or Reduction ? สารที่ให้อิเลก็ ตรอน เลขออกซิเดชนั สงู ขึน้ เกิดปฏิกิริยออกซิเดชนั เช่น Zn(s) Zn2+ (aq) + 2e- Zn คือ ตวั รีดิวซ์ Zn2+ คืวตวั ถกู รีดิวซ์ หรอื ตวั ออกซิไดส์ สารที่รบั อิเลก็ ตรอน เลขออกซิเดชนั ตา่ ลง เกิดปฏิกิริยารีดกั ชนั เช่น Cu2+(aq) + 2e- Cu (s) Cu2+ คือตวั ออกซิไดส์ ส่วน Cu คือตวั ถกู ออกซิไดส์ หรอื ตวั รีดิวซ์ ***ตัวรีดวิ ซ์ คือ ตวั ท่ีให้อเิ ลก็ ตรอน ตัวออกซไิ ดส์ คือ ตัวท่ีรับอิเลก็ ตรอน

Oxidation or Reduction ? 1 2 H2(1 atm)  2H+ + 2e- Na+ + e-  Na ปฏิกิริยาออกซเิ ดชัน คอื H2(1 atm) 2H+ + 2e- ปฏิกริ ิยารีดักชัน คือ Na+ + e- Na ตัวออกซไิ ดส์ คอื Na+ ตวั รีดวิ ซ์ คือ ตวั ถูกออกซไิ ดส์ คือ H2 ตวั ถูกรีดวิ ซ์ คอื Na H+

การดลุ สมการรดี อกซ์ จานวนอะตอมของแต่ละธาตุ และ ผลรวมประจไุ ฟฟ้ าของสาร เท่ากนั การดลุ สมการรีดอกซอ์ ย่างง่าย เช่น 2Ca (s) + O2(g)  2CaO(s) แต่ปฏิกิริยาที่มีความซบั ซ้อน เช่น Cl2(aq) + OH-(aq)  Cl-(aq) + ClO3-(aq) + H2O(l) อาจต้องดลุ แบบเป็นระบบ ซึ่งสามารถดลุ สมการได้ 2 วิธี คือ 1. การดลุ สมการรีดอกซโ์ ดยใช้เลขออกซิเดชนั 2. การดลุ สมการรีดอกซโ์ ดยใช้ครงึ่ ปฏิกิริยา

การดลุ โดยใช้เลขออกซิเดชนั การดลุ สมการรีดอกซ์ หลกั การดลุ สมการรีดอกซ์ โดยใช้เลขออกซิเดชนั 1. หาเลขออกซิเดชนั ของแต่ละธาตหุ รือไอออน (ต่อ 1 อะตอม) 2. นาเลขออกซิเดชนั ท่ีเปล่ียนไปมาคณู ไขว้ (เพื่อให้จานวน e- ที่ถ่ายเทเท่ากนั ) 3. ดลุ อะตอมของธาตุ (H กบั O ทาทีหลงั ) - ขาด O เติม H2O - ขาด H เติม H+ - ขาดประจุ เติม e- (ถ้าทอนได้ให้ทอนเป็นอตั ราส่วนอย่างตา่ ด้วย)

การดลุ โดยใช้เลขออกซิเดชนั การดลุ สมการรีดอกซ์ 1.ทาหาเลขออกซิเดชนั ของแต่ละธาตหุ รอื ไอออน (ต่อ 1 อะตอม) O.N. ลด 1 FeCl3 + SnCl2 FeCl2 + SnCl4 +3 -1 +2 -1 +2 -1 +4 -1 O.N.เพมิ่ 2 2. นาเลขออกซิเดชนั ท่ีเปล่ียนไปมาคณู ไขว้ (เพื่อให้จานวน e- ท่ีถ่ายเทเท่ากนั ) O.N.ลด 1 X 2 *** สงั เกตว่า ) *** -จานวนอะตอมเท่ากนั 2FeCl3 + SnCl2 2FeCl2 + SnCl4 -ประจเุ ท่ากนั O.N. เพมิ่ 2 X 1 3. ดลุ อะตอมของธาตุ (H กบั O ดลุ ทีหลงั ) ปฏกิ ริ ิยารีดอกซ์ 2FeCl3 + SnCl2 2FeCl2 + SnCl4

การดลุ โดยใช้คร่งึ ปฏิกิริยารีดอกซ์ การดลุ สมการรีดอกซ์ หลกั การการดลุ สมการรีดอกซ์ โดยใช้คร่ึงปฏิกิริยา 1. หาเลขออกซเิ ดชนั ของแตล่ ะธาตุหรอื ไอออน (ตอ่ 1 อะตอม) 2. แยกเป็นครง่ึ ปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชนั และรดี กั ชนั 3. ดุลจานวนอะตอมและดลุ ประจขุ องแตล่ ะครง่ึ ปฏกิ ริ ยิ า - ดลุ O ดว้ ย H2O - ดลุ H ดว้ ย H+ - ดลุ ประจดุ ว้ ยการเตมิ e- 4. ถา่ ยเท e- ใหเ้ ทา่ กนั ทงั้ ออกซเิ ดชนั และรดี กั ชนั (โดยการคณู ไขวจ้ านวน e- ) 5. รวมสมการเป็นปฏกิ ริ ยิ ารดี อกซ์ หมายเหตุ (ถา้ โจทยก์ าหนดใหป้ ฏกิ ริ ยิ าเกดิ ในสารละลายเบส ใหเ้ ตมิ OH- ลงไปเทา่ กบั จานวน H+ โดยเตมิ ทงั้ สองขา้ งของสมการ โดยฝงั ่ ทม่ี ที งั้ OH-และ H+จะรวมกนั เป็น H2O)

การดลุ โดยใช้คร่งึ ปฏิกิริยารีดอกซ์ การดลุ สมการรีดอกซ์ MnO4-(aq) + C2O42-(aq) MnO2(s) + CO32-(aq) 1. หาเลขออกซิเดชนั ของแต่ละธาตหุ รือไอออน (ต่อ 1 อะตอม) O.N. ลด 3 MnO4-(aq) + C2O42-(aq) MnO2(s) + CO32-(aq) +7 -2 +3 -2 O.N. เพม่ิ 1 +4 -2 +4 -2 2.แยกเป็นครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชนั และรีดกั ชนั ปฏิกิริยาออกซิเดชนั C2O42-(aq) CO32-(aq) ปฏิกิริยารีดกั ชนั MnO4-(aq) MnO2(s)

3.ดลุ จานวนอะตอมและดลุ ประจขุ องแต่ละคร่งึ ปฏิกิริยา ปฏกิ ริ ิยาออกซเิ ดชัน C2O42-(aq) 2CO32-(aq) C2O42-(aq) + 2H2O(aq) 2CO32-(aq) C2O42-(aq) + 2H2O(aq) 2CO32-(aq) + 4H+ C2O42-(aq) + 2H2O(aq) 2CO32-(aq) + 4H+ + 2e- ปฏกิ ริ ิยารีดกั ชัน MnO4-(aq) MnO2(s) + 2H2O(aq) MnO4-(aq) + 4H+ MnO2(s) + 2H2O(aq) MnO4-(aq) + 4H+ + 3e- MnO2(s) + 2H2O(aq) ปฏกิ ริ ิยาออกซเิ ดชัน X 3 3C2O42-(aq) +6H2O(aq) 6CO32-(aq) + 12H+ + 6e- ปฏิกิริยารีดกั ชนั X 4 4MnO4-(aq) + 16H+ + 6e- 4MnO2(s) + 8H2O(aq) ปฏิกิริยารีดอกซ์ 4MnO4-(aq) + 4H+ + 3C2O42-(aq) 4MnO2(s) + 6CO32-(aq) + 2H2O(aq)

เซลลไ์ ฟฟ้ าเคมจี าแนกไดเ้ ป็ น 2 ประเภท 1. เซลลก์ ลั วานิก คือเซลลไ์ ฟฟ้ าเคมีที่สารทาปฏิกิริยากนั แล้ว กระแสไฟฟ้ า หรอื เรียกว่า เซลลท์ ่ีเกิดได้เอง 2. เซลลอ์ ิเลก็ โทรไลต์ คือ เซลลไ์ ฟฟ้ าเคมีซึ่งต้องผา่ นกระแสไฟฟ้ า ภายนอกเข้าไปในสารเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมี

เซลลก์ ลั วานิก Voltmeter KCl Zn Cu anode Zn2+ Cu2+ cathode • มี KCl เชื่อมต่อระหว่าง 2 บีกเกอร์ • มีกระแสไฟฟ้ าเกดิ ขนึ้ สังเกตจากการเบนเขม็ ของโวลต์มิเตอร์ • ขัว้ ไฟฟ้ าแต่ละชนิดต้องจุ่มอยู่ในสารละลายเกลือหรือไอออนของมัน • มีขัว้ ไฟฟ้ าต่างชนิดกนั 2 ขัว้ จุ่มอยู่ในสารละลายอเิ ลก็ โทรไลต์ต่างกัน • ด้านท่เี ขม็ โวลต์มเิ ตอร์เบนหาเรียกว่าด้าน cathode

เซลลก์ ลั วานิก Voltmeter KCl สรปุ ได้ว่า Zn Cu anode Zn2+ Cu2+ cathode • เซลล์กัลวานิก ประกอบด้วย ขัว้ ไฟฟ้ าต่างชนิดกัน 2 ขัว้ จุ่มอย่ใู นสารละลายอเิ ลก็ โทรไลต์ท่ีต่างกนั • เซลล์กัลวานิก เปล่ียนพลังงานเคมีให้เป็ นพลังงานไฟฟ้ า โดยสารเคมีท่อี ย่ใู นเซลล์เกดิ การถ่ายโอนอเิ ลก็ ตรอนทาให้มีกระแสไฟฟ้ าเกดิ ขนึ้ • ขวั้ ท่ีให้ e- ได้ดีกว่า เรียก แอโนด (anode)  ขวั้ ลบ (เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชนั ) • ขวั้ ที่รบั e- ได้ดีกว่า เรียก แคโทด (cathode)  ขวั้ บวก (เกิดปฏิกิริยารีดกั ชนั )

ส่วนประกอบของเซลล์กลั วานิก Voltmeter 1. ขัว้ ไฟฟ้ า KCl 2. สารละลายอเิ ลก็ โทรไลต์ 3. สะพานไอออน (สะพานเกลือ) Zn Cu 4. โวลตม์ ิเตอร์ anode Zn2+ Cu2+ cathode จากส่วนประกอบข้างต้นนักเรียนคิดว่า ขาดส่วนใดไปแล้ว เซลลย์ งั สามารถถ่ายโอนอิเลก็ ตรอนได้ตามปกติ ตอบ โวลต์มเิ ตอร์

ส่วนประกอบของเซลล์กัลวานิก Voltmeter KCl 1. ขัว้ ไฟฟ้ า Zn Cu anode Zn2+ Cu2+ cathode เป็ นแหล่งเกิดปฏิ กิริยาเคมี อาจเป็น - โลหะจ่มุ ในสารละลายไอออนของโลหะนัน้ ๆ โลหะเฉอื่ ย - แกส๊ ผา่ นเข้าไปในสารละลายไอออนของแกส๊ นัน้ ๆ เชน่ โดยมีโลหะเฉ่ือยเป็นตวั ให้หรอื รบั อิเลก็ ตรอน Pt , Hg, C เป็นตน้ - โลหะ เกลือของโลหะและไอออนลบของเกลือ - สารละลายไอออนบวก 2 ชนิดของโลหะชนิดเดียวกนั มีโลหะเฉื่อยเป็นตวั ให้และรบั อิเลก็ ตรอน

ส่วนประกอบของเซลล์กัลวานิก Voltmeter 2. สารละลายอิเลก็ โทรไลต์ KCl - สารละลายเกลอื ของขวั้ ไฟฟ้ าทงั้ สอง Zn Cu โดยขวั้ ไฟฟ้ าแต่ละชนิด anode Zn2+ Cu2+ cathode ต้องจ่มุ อยใู่ นสารละลายเกลือของมนั 3. สะพานไอออน (สะพานเกลือ) - เป็นตวั เชื่อมครึง่ เซลลท์ งั้ สองเข้าด้วยกนั - ช่วยรกั ษาสมดลุ ของไอออนคร่ึงเซลล์ - ทาจากเกลือที่ละลายน้าได้ดีท่ีมีไอออนบวกและลบ เคล่ือนท่ีด้วยความเรว็ ใกล้เคียงกนั เช่น KNO3, KCl, NH4NO3 4. โวลตม์ ิเตอร์ - เป็นเคร่ืองมอื วดั ค่าศกั ยไ์ ฟฟ้ าของเซลล์

ปฏิกิริยาของเซลลก์ ลั วานิก Voltmeter KCl Zn และ Cu เรียกว่า ขวั้ ไฟฟ้ า Zn Cu anode Zn2+ Cu2+ cathode คร่งึ ปฏิกิริยาออกซิเดชนั Zn(s) Zn2+ + 2e- ครง่ึ ปฏิกิริยารีดกั ชนั Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) ปฏิกริ ิยารีดอกซ์ Cu2+(aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn2+(aq) หมายเหตมุ เิ ตอรไ์ ฟฟ้าวดั ทศิ ทางการเคล่อื นทข่ี อง e- โดยเขม็ จะเบนตามทศิ ทางการเคล่อื นทข่ี อง e-

การถ่ายโอนอิเลก็ ตรอนในเซลลก์ ลั วานิก 2e- Zn2+ Cu2+ Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)

แผนภาพเซลลก์ ลั วานิก Voltmeter KCl ทายซิคะ ว่าแผนภาพ เซลล์ท่ีเห็นได้มาอย่างไร? Zn Cu anode Zn2+ Cu2+ cathode Zn(s) l Zn2+(aq) ll Cu2+(aq) l Cu(s)

แผนภาพเซลลก์ ลั วานิก Voltmeter พอจะดูออกหรอื ยงั คะ ว่ามที ม่ี าอย่างไร KCl Zn Cu anode Zn2+ Cu2+ cathode Zn(s) l Zn2+(aq) ll Cu2+(aq) l Cu(s) ครึง่ ปฏิกิริยาออกซิเดชนั Zn(s) Zn2+ + 2e- ครงึ่ ปฏิกิริยารีดกั ชนั Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)

เปรียบเทียบการเขียนแผนภาพเซลลก์ ลั วานิก 1. Zn(s) l Zn2+(aq) ll Cu2+(aq) l Cu(s) 2. Pt | H2 (g)| H+(aq) || Cu2+(aq)(1 M) | Cu(s) 3.Cu(s) | Cu2+(aq)(0.1M) | | Ag+(aq)(0.1M) | Ag(s) 4. Pt(s) | H2(g) | H+(aq) ll H+(aq) | H2(g) | Pt(s) 5. Pt(s) | Fe2+(aq) , Fe3+(aq) ll Co3+ (1.0 M), Co2+ (0.1 M) | Pt

หลกั การเขียนแผนภาพเซลลก์ ลั วานิก Zn(s) l Zn2+(aq) ll Cu2+(aq) l Cu(s) 1. ใช้เคร่อื งหมาย | | แทนสะพานเกลือคนั่ กลางปฏิกิริยาทงั้ สอง 2. ครง่ึ เซลลอ์ อกซิเดชนั แอโนด อย่ดู ้านซ้ายของสะพานไอออน ครึง่ เซลลร์ ีดกั ชนั แคโทด อย่ดู ้านขวาของสะพานไอออน 3. กรณีคร่ึงเซลลธ์ าตเุ ดียวกนั สถานะต่าง ใช้ l คนั่ Cu(s) | Cu2+(aq)(0.1M) | | Ag+(aq)(0.1M) | Ag(s) 4. ระบคุ วามเข้มข้น หรอื ความดนั เขียนวงเลบ็ ไว้หลงั สถานะสารชนิดนัน้ ๆ

หลกั การเขียนแผนภาพเซลลก์ ลั วานิก Pt(s) | Fe3+(aq) , Fe2+(aq) ll Co3+ (1.0 M), Co2+ (0.1 M) | Pt 5. กรณีคร่ึงเซลลธ์ าตเุ ดียวกนั สถานะเหมือน ไอออนต่าง ใช้ , คนั่ 6. กรณีเลขออกซิเดชนั หรือไอออนยิ่งมาก ย่ิงใกล้สะพานไอออนมาก Pt | H2 (g)| H+(aq) || Cu2+(aq)(1 M) | Cu(s) Pt(s) | H2(g) | H+(aq) ll H+(aq) | H2(g) | Pt(s) 7. ถ้าเป็นขวั้ ไฟฟ้ ากา๊ ซจะต้องใส่ขวั้ ไฟฟ้ าเฉื่อยคือ Pt หรอื C เป็นขวั้ ไฟฟ้ า

จากโจทยใ์ ห้เขียนแผนภาพเซลลก์ ลั วานิก รจู้ ริงแค่ไหนมาพิสจู น์กนั 1. Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) 2. H2 (g) + Cu2+(aq)(1 M) H+(aq) + Cu(s) 3. H2(g) + H+(aq) H+(aq) + H2(g) 4. Fe2+(aq) + Co3+ (1.0 M) Co2+ (0.1 M) + Fe3+(aq) 5. Cu(s) + Ag+(aq)(0.1M) Cu2+(aq)(0.1M) + Ag(s)

หลกั การเขียนแผนภาพเซลลก์ ลั วานิก ทาถกู หรือเปล่าคะ 1. Zn(s) l Zn2+(aq) ll Cu2+(aq) l Cu(s) 2. Pt | H2 (g)| H+(aq) || Cu2+(aq)(1 M) | Cu(s) 3. Pt(s) | H2(g) | H+(aq) ll H+(aq) | H2(g) | Pt(s) 4. Pt(s) | Fe3+(aq) , Fe2+(aq) ll Co3+ (1.0 M), Co2+ (0.1 M) | Pt 5. Cu(s) | Cu2+(aq)(0.1M) | | Ag+(aq)(0.1M) | Ag(s)

ศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์และศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์ ศักย์ไฟฟ้ าของขัว้ ไฟฟ้ ามาตรฐาน ความสามารถในการรบั อิเลก็ ตรอน โดยเปรียบเทียบกบั ศกั ยไ์ ฟฟ้ า ครงึ่ เซลลไ์ ฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard hydrogen electrode, SHE) ครงึ่ เซลลไ์ ฮโดรเจนมาตรฐาน ประกอบด้วย - ขวั้ ไฟฟ้ าเป็นแกส๊ ไฮโดรเจน ความดนั 1 บรรยากาศ - มี Pt เป็นส่ือให้และรบั อิเลก็ ตรอน - สารละลายอิเลก็ โทรไลตเ์ ป็นกรดไฮโดรคลอริก 1 mol/l - อณุ หภมู ิ 25C และกาหนดให้ครึ่งเซลลน์ ี้มีศกั ยไ์ ฟฟ้ า 0.00 โวลต์

ศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์และศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์ การหาค่าศกั ยไ์ ฟฟ้ าของครึ่งเซลลห์ รือขวั้ ไฟฟ้ าใด นามาต่อกบั ครง่ึ เซลลไ์ ฮโดรเจนมาตรฐาน ถ้าครึ่งเซลล์มาตรฐานไฮโดรเจนให้อเิ ลก็ ตรอนได้ดกี ว่า เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชนั H2(1 atm)  2H+ + 2e- ถ้าคร่ึงเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานเป็ นฝ่ ายรับอเิ ลก็ ตรอน เกิดปฏิกิริยารีดกั ชนั 2H+ + 2e-  H2(1 atm)

ศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์และศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ ประโยชน์ของค่าศกั ยไ์ ฟฟ้ ารีดกั ชนั มาตรฐาน - ใช้บอกความสามารถในการรับอเิ ลก็ ตรอนของสารต่างๆ E มาก รบั e- ได้ดีกว่า E น้อย ตวั ออกซไิ ดซ์ท่ีดี ตัวรีดวิ ซ์ท่ีดี ขัว้ บวก ขัว้ ลบ (แคโทด) (แอโนด) - ใช้ทานายทิศทางการเกิดปฏิกิริยา ถ้า Ecell มีค่าเป็นบวกแสดงว่าเกิดปฏิกิริยาได้ โดยครึง่ เซลลท์ ี่มีค่า E มากกว่าเกิดปฏิกิริยารีดกั ชนั ส่วนคร่ึงเซลลท์ ่ีมีค่า E น้อยกว่าเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชนั ถ้า Ecell เป็นลบแสดงว่าไม่เกิดปฏิกิริยา

ศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์และศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ การหาค่าศักย์ไฟฟ้ าหรือแรงเคล่ือนไฟฟ้ าของเซลล์ สามารถคานวณจากค่า E ของขวั้ ไฟฟ้ ามาตรฐานท่ีใช้ทาเซลล์กลั วานิก แรงเคล่ือนไฟฟ้ าของเซลล์, Ecell Ecell = Ecathode - Eanode ท่สี ภาวะมาตรฐาน E0cell = E0cathode - E0anode ***ถ้า E0cell มีค่าเป็ นบวกแสดงว่าปฏกิ ริ ิยานัน้ สามารถเกดิ ขนึ้ ได้เอง***



ศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์และศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์ e- 0.34 V e- หาศักย์ไฟฟ้ าของขัว้ ไฟฟ้ าทองแดง H2(g) Ecell = Ecathode - Eanode Cu Cu2+ H+ 0.34 = ECu - EH2 แคโทด SO42- Cl- ECu = 0.34 – 0.00 = 0.34 โวลต์ 1 M CuSO4 1 M HCl อเิ ลก็ ตรอนไหลจากคร่ึงเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานไปยงั คร่ึงเซลล์ทองแดง แรงเคล่ือนไฟฟ้ าท่ีวัดได้เป็ นศักย์ไฟฟ้ าของคร่ึงเซลล์ทองแดง คร่ึงเซลล์ท่รี ับอเิ ล็กตรอน ศักย์รีดักชัน คร่ึงเซลล์ท่ใี ห้อเิ ล็กตรอน ศักย์ออกซเิ ดชัน

ศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์และศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ จงคานวณค่า Ecell จากแผนภาพของเซลลต์ ่อไปนี้ Al(s) | Al3+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s) Anode (ออกซิเดชนั ) 2(Al(s) Al3+(aq) + 3e-) E = - 1.66 โวลต์ Cathode (รีดกั ชนั ) 3(Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)) E = + 0.34 โวลต์ ปฏิกิริยาของเซลล์ (รีดอกซ)์ 2Al(s) + 3Cu2+(aq) 2Al3+(aq) + 3Cu(s) Ecell = Ecathode - Eanode ปฏิกริ ิยานี้ สามารถ Ecell = 0.34 – (-1.66) = 2.00 โวลต์ เกดิ ขนึ้ เองได้ หรอื หาจากสตู ร Ecell = Eox + Ered = 1.66 + 0.34 = 2.00 โวลต์

ประเภทของเซลลก์ ลั วานิก เซลลก์ ลั วานิก เปลี่ยนปฏิกิริยาเคมี ไฟฟ้ า เรยี กวา่ เซลลโ์ วลตาอิก(Voltaic cell) ทาใหเ้ กดิ การแลกเปลย่ี นอเิ ลก็ ตรอนระหวา่ งปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชนั และรดี กั ชนั ผา่ นลวด ตวั นาไฟฟ้า แบ่งเป็น 2 ชนิดคอื เซลลป์ ฐมภมู ิ เซลลท์ ุติยภมู ิ ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลลส์ ามารถ เกิดขึน้ อย่างสมบรู ณ์ ย้อนกลบั ได้อีก ทาให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลบั ไม่ได้ โดยการอดั ไฟเข้าไปใหม่ หรือใช้ไฟหมดแล้วสามารถอดั ไฟ ไม่สามารถนามาอดั ไฟใช้ใหม่ ใหม่ได้อีก

ตวั อย่างเซลลป์ ฐมภมู ิ ตวั อย่างเซลลท์ ตุ ิยภมู ิ • ถ่านไฟฉาย • เซลลส์ ะสมไฟฟ้าแบบตะกวั่ • เซลลแ์ อลคาไลน์ • เซลลน์ ิกเกลิ – แคดเมยี ม • เซลลป์ รอท • เซลลโ์ ซเดยี ม-ซลั เฟอร์ • เซลลเ์ งนิ • เซลลเ์ ชอ้ื เพลงิ ไฮโดรเจน-ออกซเิ จน • เซลลเ์ ชอ้ื เพลงิ โพรเพน-ออกซเิ จน

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลป์ ฐมภมู ิ 1. ถ่านไฟฉาย ประกอบด้วย • กล่องสงั กะสี ขวั้ แอโนด • มแี ทง่ คารบ์ อน แคโทด • รอบ ๆ แทง่ คารบ์ อนมแี มงกานีส (IV) ออกไซด์ ซง่ึ มสี ารละลายของแอมโมเนียคลอไรด์ เป็นอเิ ลก็ โทรไลตบ์ รรจอุ ยู่ โดยทวั่ ไปมี ศกั ยไ์ ฟฟ้ าประมาณ 1.5 V •ผสมกาวลงไปเพราะแอมโมเนียคลอไรดร์ วั่ งา่ ย NH3ทเ่ี กดิ ป้องกนั ไมใ่ หเ้ กดิ สารประกอบเชงิ ซอ้ นของ เตตระแอมมนี ซงิ ค์ (II) ไอออน [Zn(NH3)4]2+ และ ไซดง่ึ อจาะคทวาาใหแอศ้ มกั มยนไ์ี ฟซฟงิ ค้าข์ (อIIง)เไซอลอลอเ์ นป[ลZย่ี nน(NแHป3ล)ง2(H2O)2]2+ Anode : Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - Cathode : 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) + e- Mn2O3(s) + 2NH3(g) + H2O(l) ปฏิกิริยารวม : Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) Zn2+(aq) + Mn2O3(s) + 2NH3(g) + H2O(l)

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลป์ ฐมภมู ิ 2. เซลลแ์ อลคาไลน์ ประกอบด้วย MnO8 ผสม KOH • คลา้ ยเซลลถ์ ่านไฟฉาย ต่างกนั ทส่ี ารละลาย โดยทวั่ ไปมี ศกั ยไ์ ฟฟ้ าประมาณ 1.5 โวลต์ NaOH หรอื KOH เป็นอเิ ลก็ โทรไลต์ แต่ใหก้ ระแสไฟฟ้าไดน้ านกวา่ เซลลแ์ หง้ • กลอ่ งสงั กะสี ขวั้ แอโนด เน่อื งจาก OH- และ H2O ทเ่ี กดิ ขน้ึ ในปฏกิ ริ ยิ า • มแี ทง่ คารบ์ อน แคโทด สามารถกลบั ไปเป็นสารตงั้ ตน้ ของปฏกิ ริ ยิ าไดอ้ กี • รอบ ๆ แทง่ คารบ์ อนมแี มงกานีส (IV) ออกไซด์ ผสมผงคารบ์ อนโดยอดั ตดิ กบั แทง่ คารบ์ อน ประโยชน์ ใชใ้ นไฟฉายวทิ ยหุ รอื อุปกรณ์อเิ ลก็ ทรอนิกสต์ ่างๆ Anode : Zn(s) + 2OH-(aq) ZnO (s) + H2O(l) + 2e - Cathode : 2MnO2(s) + 2H2O (l) + 2e- Mn2O3(s) + 2OH-(aq) ปฏิกิริยารวม : Zn(s) + 2MnO2(s) ZnO(s) + Mn2O3(s)

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลป์ ฐมภมู ิ 3. เซลลป์ รอท แอโนด + ประกอบด้วย HgO, KOH - • ใช้ HgOแทนMnO2 ของแอลคาไลน์ แคโทด ใหศ้ กั ยไ์ ฟฟ้ าประมาณ 1.3 V • กลอ่ งสงั กะสี ขวั้ แอโนด ใหก้ ระแสไฟฟ้าต่า ข้อดี คอื ใหศ้ กั ยไ์ ฟฟ้าเกอื บคงท่ี • มแี ทง่ คารบ์ อน แคโทด ตลอดอายุการใชง้ าน • รอบ ๆ แทง่ คารบ์ อนมเี มอควิ รี (II) ออกไซดผ์ สมผงคารบ์ อนอดั ตดิ อยู่ และผสมผงคารบ์ อนมสี ารละลายของ NaOH หรอื KOH ซง่ึ ทาหน้าทเ่ี ป็นอเิ ลก็ โทรไลต์ • ประโยชน์ ใชใ้ นเครอ่ื งฟงั เสยี งสาหรบั คนหพู กิ าร เครอ่ื งคดิ เลข นาฬกิ า กลอ้ งถา่ ยรปู เครอ่ื งตรวจการเตน้ ของหวั ใจ Anode : Zn(s) + 2OH-(aq) ZnO (s) + H2O(l) + 2e - Cathode : Hg2O(s) + 2H2O (l) + 2e- Hg(l) + 2OH-(aq) ปฏิกิริยารวม : Zn(s) + Hg2O(s) ZnO(s) + Hg(s)

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลป์ ฐมภมู ิ 4. เซลลเ์ งิน แอโนด + ประกอบด้วย Ag2O,Zn(OH)2,KOH - คลา้ ยเซลลป์ รอท แต่ใชA้ g2OแทนHgO แคโทด ใหศ้ กั ยไ์ ฟฟ้ าประมาณ 5 V • กลอ่ งสงั กะสี ขวั้ แอโนด ขนาดเลก็ และอายกุ ารใชง้ าน นานมากราคาแพง • มแี ทง่ คารบ์ อน แคโทด •รอบ ๆ แทง่ คารบ์ อนมAี g2Oผสมผงคารบ์ อนโดยอดั ตดิ ซง่ึ หมุ้ ดว้ ยAgO มสี ารละลายของ NaOH หรอื KOH เป็นอเิ ลก็ โทรไลต์ ผสม Zn(OH)2 • ประโยชน์ใช้กบั ล้องถ่ายรูป เครื่องตรวจการเต้นของหวั ใจ เครื่องชว่ ยฟัง นาฬกิ า เครอ่ื งคดิ เลข Anode : Zn(s) + 2OH-(aq) ZnO (s) + H2O(l) + 2e - Cathode : Ag2O(s) + H2O (l) + 2e- 2Ag(s) + 2OH-(aq) ปฏิกิริยารวม : Zn(s) + Ag2O(s) ZnO(s) + 2Ag(s)

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลป์ ฐมภมู ิ เซลลเ์ ชื้อเพลิง เป็นเซลลป์ ฐมภมู ทิ ต่ี อ้ งผา่ นสารตงั้ ตน้ ซง่ึ เป็นเชอ้ื เพลงิ เขา้ ไปท่ี ขวั้ แอโนดและแคโทตลอดเวลา เกดิ การสนั ดาปภายในเซลล์ และใหพ้ ลงั งานออกมา แต่ไมเ่ กดิ การลุกไหม้ เน่ืองจากปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชนั และรดี กั ชนั ทเ่ี กดิ ขวั้ ตา่ งกนั โดยอเิ ลก็ ตรอนจะเคล่อื นทจ่ี ากขวั้ แอโนดไปแคโทด เสริมนิ ดนะคะ

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลป์ ฐมภมู ิ 5. เซลลเ์ ชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจน ประกอบด้วย ใหศ้ กั ยไ์ ฟฟ้ าประมาณ 1.2 V • ใชH้ 2(g)เขา้ ไปในช่องแอโนด ราคาแพงมาก ใชก้ บั เรอื ดาน้า ทม่ี แี กรไฟตผ์ สมนกิ เกลิ ยานพาหนะทางทหาร • ใช้ O2(g)เขา้ ไปในช่องแคโทด ในกระสวยอวกาศและยงั ไดน้ ้า ทม่ี แี กรไฟตผ์ สมนเิ กลิ และนิกเกลิ (II) ออกไซด์ บรสิ ทุ ธเิ์ป็นน้าดม่ื สาหรบั นกั บนิ อวกาศอกี ดว้ ย เพอ่ื ชว่ ยเรง่ ปฏกิ ริ ยิ า •โซเดียมคารบ์ อรเ์ นตหลอมเหลวเป็นอเิ ลก็ โทรไลต์ Anode : H2(g) + CO32-(l) H2O(g) + CO2(g) + 2e- Cathode : O2(g) + CO2(g) + 2e- CO32-(l) ปฏิกิริยารวม : 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g)

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลป์ ฐมภมู ิ 6.เซลลเ์ ชื้อเพลิงโพรเพน-ออกซิเจน ประกอบด้วย ปฏกิ ริ ยิ าสนั ดาปของก๊าซโพรเพนในเครอ่ื งยนต์ • ใชแ้ ก๊สโพรเพนผา่ น ใหป้ ระสทิ ธภิ าพการทางานสงู ประมาณ 2 เทา่ ของ เครอ่ื งยนตส์ นั ดาปภายใน เขา้ ไปในชอ่ งแอโนด • ใชแ้ ก๊สออกซเิ จนผา่ น เขา้ ไปในชอ่ งแคโทด • สารละลายกรดซลั ฟูรกิ เป็นอเิ ลก็ โทรไลต์ • ประโยชน์ ใชก้ บั เรอื ดาน้ายานพาหนะทใ่ี ช้ ทางการทหารและในกระสวยอวกาศ Anode : C3H8(g) + 6H2O(l) 3CO2(g) + 20H+ (aq)+ 20e-(s) Cathode : 5O2 (g) + 20H+ (aq) + 20e- 10H2O(l) ปฏิกิริยารวม : 5O2 (g) + C3H8(g) 3CO2(g) + 4H2O(l)

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลป์ ฐมภมู ิ เซลล์เชือ้ เพลงิ โพรเพน-ออกซเิ จน

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลท์ ุติยภมู ิ 1. เซลลส์ ะสมไฟฟ้ าแบบตะกวั่ ประกอบด้วย • แผน่ ตะกวั่ เป็นแอโนด มศี กั ยไ์ ฟฟ้ า 2 โวลต์ • เลด(IV)ออกไซด์ ทเ่ี คลอื บบนผวิ ตะกวั่ เป็นแคโทด สามารถต่อเป็นอนุกรมศกั ยไ์ ฟฟ้า • สารละลายกรดซลั ฟูรกิ เขม้ ขน้ รอ้ ยละ 30-38 เป็นอเิ ลก็ โทรไลต์ เพม่ิ ขน้ึ เช่น แบตตอรรี ถยนตม์ ี • แหล่งกาเนดิ ไฟฟ้ากระแสตรง เพอ่ื ใหข้ วั้ ทงั้ สอง เซลลอ์ นุกรมต่อกนั 6 เซล์ เรยี ก มศี กั ยไ์ ฟฟ้าต่างกนั และเกดิ กระแสไฟฟ้าขน้ึ ทวั่ ไปวา่ แบตเตอร่ี ถงึ แมจ้ ะอดั ไฟ • ประโยชน์ ใชเ้ ป็นแหล่งพลงั งานไฟฟ้าในรถยนตห์ รอื ใหมไ่ ด้ แต่ PbSO4 ทเ่ี กดิ ขน้ึ ทข่ี วั้ จกั รยานยนต์ ทงั้ สองอยทู่ ก่ี น้ ภาชนะ ทาใหข้ วั้ สกึ จ่ายไฟ กรอ่ นและเสอ่ื มสภาพในทส่ี ุด ปฏิกิริยารวม Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O -+ อดั ไฟ

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลท์ ตุ ิยภมู ิ 2. เซลลน์ ิกเกิล – แคดเมียม ประกอบด้วย •มโี ลหะเมยี มเป็นแอโนด •นกิ เกลิ (IV) ออกไซดเ์ ป็นแคโทด และมี NiO(OH) ฉาบอยู่ •มสี ารละลายเบสเป็นอเิ ลก็ โทรไลต์ คอื โพแทสเซยี มไฮดรอกไซด์ • ประโยชน์ เซลลช์ นิดน้ีใชก้ บั เครอ่ื งคดิ เลข กลอ้ งถ่ายรปู เครอ่ื งเลเซอรช์ นิดไรส้ าย เรยี กทวั่ ไปวา่ เซลลน์ แิ คด ให้ศกั ยไ์ ฟฟ้ าประมาณ 1.4 โวลต์ สามารถประจไุ ฟไดใ้ หมก่ ารประจไุ ฟจะเกดิ ยอ้ นกลบั กบั ปฏกิ ริ ยิ าการจา่ ยไฟ ข้อดี ใชไ้ ดน้ าน ข้อเสีย กาจดั ยาก เพราะแคดเมยี มเป็นโลหะมพี ษิ Anode : Cd(s) + 2OH-(aq) Cd(OH)2(s) + 2e- Cathode : 2NiO(OH)(s) + 2H2O(l) + 2e- 2Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq) ปฏิกิริยารวม : Cd(s) + 2NiO(OH)(s) + 2H2O(l) Cd(OH)2(s) + 2Ni(OH)2(s)

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลท์ ุติยภมู ิ 3. เซลลโ์ ซเดียม-ซลั เฟอร์ ประกอบด้วย • โซเดยี มเหลวเป็นแอโนด ระหวา่ ง OxidationและReduction • กามะถนั เหลว เป็นแคโทด คนั่ ดว้ ยเซรามกิ สท์ ม่ี รี พู รุนเลก็ ๆ (ผสมผงแกรไฟตเ์ พอ่ื เพม่ิ ประสทิ ธภิ าพการนาไฟฟ้า) เพอ่ื ใหโ้ ซเดยี มไอออนผา่ น •บตี าอะลมู นิ า เป็นของผสมของออกไซดข์ องโลหะ ใหศ้ กั ยไ์ ฟฟ้ าประมาณ 2.1 V (Al, Mg, Na) ทย่ี อมให้ Na+ เคลอ่ื นทผ่ี า่ นไดเ้ ป็นอเิ ลก็ โทรไลต์ สามารถประจไุ ฟ มอี ายุการใชง้ าน นานกวา่ เซลลส์ ะสมไฟฟ้าแบบตะกวั่ 2Na2+(l) + 2e- แต่ตอ้ งควบคมุ อุณหภมู ใิ หไ้ ด้ ~350 oC Anode : 2Na(l) เพอ่ื ใหส้ ารอยใู่ นสภาพหลอมเหลว Cathode : (n/8)S8(l) + 2e- nS2-(l) ปฏิกิริยารวม : 2Na(l) + (n/8)S8(l) Na2Sn(l)

เซลลก์ ลั วานิก ชนิดเซลลท์ ตุ ิยภมู ิ 3. เซลลโ์ ซเดียม-ซลั เฟอร์

เซลลอ์ ิเลก็ โทรไลต์ ขวั้ ไฟฟ้ าท่ีต่อกบั ขวั้ บวกของแบตเตอรี่ เกิดออกซิเดชนั เรียก แอโนด ขวั้ ไฟฟ้ าท่ีต่อกบั ขวั้ ลบของแบตเตอรี่ เกิดรีดกั ชนั เรียก แคโทด เซลลอ์ ิเลก็ โทรไลต์ คือ เซลลไ์ ฟฟ้ าเคมีซึ่งต้องผา่ นกระแสไฟฟ้ าภายนอก เข้าไปในสารเพ่ือให้เกิดปฏิกิริยาเคมีส่วนประกอบท่ีสาคัญของ Electrolytic cell 1. แหล่งพลังงานไฟฟ้ าจากภายนอก 2. ขัว้ ไฟฟ้ า 3. สารละลายอิเลก็ โทรไลต์