รายงานแผนการทดลอง ไฟฟ้าเคมี

รายงานแผนการทดลอง ปฏบิ ัติการเรือ่ ง ไฟฟ้าเคมี โดย นายพีรภทั ร โปษยาอนวุ ตั ร์ รหัสนักศกึ ษา 6314891006 เอก ค.บ.เคมี สมาชิกในกลุ่ม นายพรี ภัทร โปษยาอนวุ ัตร์ รหสั นกั ศกึ ษา 6314891006 เอก ค.บ.เคมี นางสาวณฏั ฐธิดา ฤทธิ์เต็ม รหัสนักศึกษา 6314891017 เอก ค.บ.เคมี นางสาวเบญจมาภรณ์ คนชยั รหัสนักศกึ ษา 6314891019 เอก ค.บ.เคมี เสนอ ผชู้ ว่ ยศาสตราจารย์ ดร.อาภาพร บุญมี ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภฏั รำไพพรรณี

วนั ที่ 28 เดอื น กนั ยายน พ.ศ. 2563 วตั ถปุ ระสงค์ 1. เพอ่ื ศึกษาเซลล์กลั วานิก 2. เพื่อศึกษาเซลลอ์ เิ ลก็ โทรไลติก อุปกรณ์ และ สารเคมี 1. โวลตม์ ิเตอร์ 2. บีกเกอร์ 250 mL 3. Capillary tip tube ท่ีบรรจุวุน้ KNO3 3 อนั 4. ข้วั โลหะ Zn, Cu, Ni 5. กระบอกตวง 10 mL, 100 mL 6. หลอดหยด 7. หลอดทดลอง 5 หลอด 8. สารละลาย KNO3 5% w/v 9. สารละลาย NiSO4 1 M และสารละลาย ZnSO4 1 M 10. สารละลาย CuSO4 1.0 M, 0.1 M, 0.01 M, 0.001 M, 0.0001 M 11. สารละลาย CuSO4 เข้มข้น 0.1 M 12. สารละลาย KI เข้มขน้ 0.1 M 13. ถ่านไฟฉาย 9 V 14. ขวดพลาสตกิ พรอ้ มขวั้ แกรไฟต์ 15. สายไฟสำหรับต่อถ่านไฟฉาย 9 V กับขวั้ แกรไฟต์ 1 เส้น

วธิ ีการทดลอง ตอนที่ 1 เซลลก์ ัลวานิก 1.1 ตวงสารละลาย 5% KNO3 100 mL (ดว้ ยกระบอกตวง) ใส่ลงในบีกเกอร์ขนาด 250 mL 1.2 หยิบ capillary tip tube มา 3 อัน (ที่บรรจวุ ุน้ KNO3 แล้ว) ใช้หลอดหยดดดู 1 M CuSO4 เตมิ ลงใน capillary tip tube หลอดที่ 1 จนไดป้ รมิ าตรประมาณ 3⁄4 ของหลอด จากนัน้ เตมิ หลอดที่ 2 และ 3 ด้วย 1 M NiSO4 และ 1 M ZnSO4 ตามลำดบั แลว้ เสยี บ capillary tip tube ทง้ั 3 หลอด ลงในบีกเกอร์ที่บรรจุ KNO3 ที่ เตรยี มไวจ้ ากข้อ 1.1 รูปที่ 1.1 สารละลายใน capillary tip tube 1.3 นำโลหะ Cu, Ni, Zn ทขี่ ูดปลายสายดว้ ยกระดาษทรายหรือคตั เตอร์ จุ่มลงในสารละลาย CuSO4 , NiSO4 และ ZnSO4 ที่อยู่ใน capillary tip tube ตามลำดบั และตอ้ งระวังอย่าใหโ้ ลหะไปท่ิมกับวนุ้ จนทะลุ เพราะจะทำ ให้สารละลายไหลมาผสมกนั และจะไมเ่ กิดกระแสไฟฟา้ ไหล 1.4 ทำการวัดความต่างศักยร์ ะหวา่ งครงึ่ เซลลแ์ ตล่ ะคดู่ ว้ ยดิจิตอลโวลตม์ เิ ตอร์ โดยเปิดสวิตซ์เลือกไปที่ตำแหนง่ DCV ตอ่ สายไฟออกจากขั้วสีดำและแดงของเครื่อง แลว้ นำปลายอกี ดา้ นหน่ึงของสายไฟทั้งสองขา้ งไปคบี กับ ขว้ั โลหะของครึง่ เซลลค์ ูท่ ่ีตอ้ งการวดั (คีบตรงบรเิ วณรอยขูด) โดยข้ัวสดี ำคีบท่ีขัว้ ท่ีเกิดปฏิกริ ิยาออกซิเดชนั ขั้วสแี ดง คบี ทข่ี ว้ั ท่ีเกิดปฏิกิรยิ ารดี ักชนั แล้วอ่านคา่ ศักย์ไฟฟ้าจากจอ LED ซึ่งจะต้องอ่านได้ค่าบวกเสมอ 1.5 ทำการทดลองวัดค่าศกั ย์ไฟฟ้าจนครบทุกคขู่ องครงึ่ เซลล์ บันทกึ ค่าความต่างศักย์ระหว่างเซลลข์ องข้วั กัล วานกิ แต่ละชนิด แลว้ เปรยี บเทยี บดูวา่ ใกลเ้ คียงกับค่าที่ไดจ้ ากการคำนวณ จากสูตร E0cell = E0r(แคโทด) – E0r(แอโนด) หรอื ไม่ ถ้าแตกต่างจากการคำนวณ คดิ ว่าผลเนอื่ งมาจากสาเหตใุ ด อภิปรายและสรุปผล

ผลการทดลองตอนที่ 1 ความเข้มขน้ ของสารละลาย CuSO4 1.0 M E0r(Cu) = 0.34 V NiSO4 1.0 M E0r(Ni) = -0.28 V ZnSO4 1.0 M E0r(Zn) = -0.76 V ตารางท่ี 1.1 ตารางบนั ทกึ ผลการทดลองเซลลก์ ลั วานิก เซลลไ์ ฟฟ้า ความต่างศักย์ (E0cell,โวลต์) คทู่ ่ี 1 : Cu และ Ni จากการทดลอง จากการคำนวณ คร่ึงปฏกิ ริ ิยาออกซิเดชนั Ni (s) Ni2+ (aq) + 2e- ครึง่ ปฏกิ ริ ยิ ารดี กั ชัน Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s) 0.168 V 0.62 V ปฏิกิรยิ ารวม Ni (s) + Cu2+ (aq) Ni2+ (aq) + Cu (s) คทู่ ี่ 2 : Cu และ Zn 0.213 V 1.1 V ครึง่ ปฏิกริ ยิ าออกซิเดชัน Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e- ครึง่ ปฏิกิริยารีดักชัน Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s) 0.132 V 0.48 V ปฏิกิรยิ ารวม Zn (s) + Cu2+ (aq) Zn2+ (aq) + Cu (s) คทู่ ่ี 3 : Zn และ Ni ครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e- ครง่ึ ปฏิกิริยารีดกั ชนั Ni (s) Ni2+ (aq) + 2e- ปฏิกิรยิ ารวม Zn (s) + Ni2+ (aq) Zn2+ (aq) + Ni (s) จากการทดลอง เม่ือทำการวัดความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งครึง่ เซลล์แต่ละคดู่ ว้ ยดิจิตอลโวลต์มิเตอร์ ได้คา่ ออกมาดัง ตารางท่ี 1.1 ซ่งึ ค่าทไี่ ด้ออกมามคี า่ น้อยกว่าการคำนวณมาก อาจมีผลมาจากความต้านทานไฟฟา้ ของสายไฟ การ เตรยี มสารทจี่ ะใชใ้ นการทดลอง ภาชนะท่ีไมพ่ ร้อมในการทดลอง หรือ เครื่องดิจิตอลโวลต์มเิ ตอร์ที่ไมน่ ่ิงต่อการวดั คา่

ตอนท่ี 2 เซลล์อเิ ลก็ โทรไลติก เตมิ สารละลาย CuSO4 0.1 M ลงไปในขวดพลาสตกิ ประมาณ 3/4 ของขวด จากนัน้ ปิดฝาแล้วตอ่ สายไฟเชื่อม ระหวา่ งถ่านไฟฉาย 9 V กับขั้วแกรไฟตท์ ต่ี ดิ อยบู่ นฝาขวด บนั ทึกผลการทดลองท่สี งั เกตเหน็ จากนน้ั ลา้ งขวดบรรจุ สารแล้วกลัว้ ด้วยน้ำกลนั่ เปลีย่ นชนดิ ของสารละลายเปน็ สารละลาย KI 0.1 M แล้วทำการทดลองซ้ำ รูปที่ 2.1 การทดลองเกี่ยวกับเซลลอ์ ิเลก็ โทรไลติก

ผลการทดลองตอนท่ี 2 2.1 กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสสารละลาย CuSO4 สมการการแตกตวั ของ CuSO4 ในน้ำ คือ CuSO4 (aq) Cu2+ (aq) + SO42- (aq) ตารางที่ 2.1 ตารางบันทึกผลการทดลองเมื่อต่อขว้ั ไฟฟา้ เข้าไปในสารละลาย CuSO4 หวั ขอ้ ในการพิจารณา ขว้ั + (สายสแี ดง) ข้ัว – (สายสีดำ) สิง่ ที่สงั เกตเหน็ ในแตล่ ะขว้ั มฟี องเกิดขึ้น หนาขึน้ มสี นี ำ้ ตาลแดงทีข่ ้วั ชนิดของปฏกิ ริ ยิ าทเ่ี กดิ ข้ึน Oxidation Reduction (ออกซเิ ดชัน หรือ รดี ักชนั ) สมการแสดงปฏิกริ ิยา 2H2O (l) O2(g) + 4H+(aq) + 4e- Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) หัวขอ้ ในการพิจารณา (ต่อ) ขว้ั + (สายสแี ดง) ขว้ั – (สายสดี ำ) คา่ E0r (V) +1.23 +0.34 สมการรวม (Redox) 2H2O (l) + 2Cu2+ (aq) O2(g) + 4H+(aq) + Cu(s) คา่ E0cell (V) E0cell = E0r(แคโทด) – E0r(แอโนด) = 0.34 – 1.23 = -0.89 จากการทดลองพบวา่ เม่อื ตอ่ สายไฟเช่อื มระหวา่ งถา่ นไฟฉาย 9 V กับขั้วแกรไฟต์ทต่ี ดิ อยู่บนฝา ลงไปในขวด พลาสติกท่ีมีสารละลาย CuSO4 0.1 M ซ่งึ มีสฟี า้ พบวา่ ทขี่ ั้วบวก มฟี องแกส๊ เกิดขน้ึ รอบ ๆ แท่งแกรไฟต์ และ ที่ข้วั ลบพบว่าแท่งแกรไฟตห์ นาขนึ้ เม่ือนำออกมาสังเกตพบวา่ สิ่งทม่ี าเกาะมีลักษณะเป็นตะกอนสีนำ้ ตาลแดง และ สารละลายมสี ีฟา้ จางลง ซึ่งเมื่อวิเคราะห์ดังตารางท่ี 2.1 สามารถเขยี นสมการรวม ไดว้ า่ 2H2O (l) + 2Cu2+ (aq) O2(g) + 4H+(aq) + Cu(s)

2.2 กระบวนการอิเลก็ โทรไลซสิ สารละลาย KI สมการการแตกตวั ของ KI ในนำ้ คือ KI (aq) K+ (aq) + I- (aq) ตารางท่ี 2.2 ตารางบันทึกผลการทดลองเมื่อตอ่ ขว้ั ไฟฟา้ เข้าไปในสารละลาย KI หัวข้อในการพิจารณา ข้วั + (สายสีแดง) ขว้ั – (สายสีดำ) สง่ิ ทีส่ งั เกตเหน็ ในแตล่ ะข้ัว เกิดตะกอนสีนำ้ ตาลแดง เกิดฟองแกส๊ ชนดิ ของปฏกิ ิรยิ าทีเ่ กิดข้นึ Oxidation Reduction (ออกซิเดชนั หรอื รดี ักชนั ) สมการแสดงปฏกิ ริ ยิ า 2I- (aq) I2 (s) + 2e- 2H2O (l) H2 (g) + 2OH- (aq) หัวข้อในการพจิ ารณา (ต่อ) ขว้ั + (สายสแี ดง) ขั้ว – (สายสีดำ) ค่า E0r (V) 0.54 -0.83 สมการรวม (Redox) 2H2O (l) + 2I- (aq) H2 (g) + 2OH- (aq) + I2 (s) คา่ E0cell (V) E0cell = E0r(แคโทด) – E0r(แอโนด) = -0.83 – 0.54 = -1.37 จากการทดลองพบว่า เม่อื ตอ่ สายไฟเชอื่ มระหว่างถา่ นไฟฉาย 9 V กับขวั้ แกรไฟต์ท่ตี ิดอยบู่ นฝา ลงไปในขวด พลาสตกิ ที่มีสารละลาย KI 0.1 M ซึ่งใส่ ไมม่ ีสี พบวา่ ทข่ี วั้ บวก เกดิ ตะกอนสีน้ำตาลแดง เมอื่ เวลาผ่านไปทำใหเ้ ห็น สารละลายเปล่ียนเปน็ สนี ำ้ ตาลแดง และท่ีขั้วลบพบว่าเกิดฟองแกส๊ ท่ีขั้ว ซ่งึ เม่ือวเิ คราะห์ดงั ตารางท่ี 2.2 สามารถ เขยี นสมการรวม ไดว้ า่ 2H2O (l) + 2I- (aq) H2 (g) + 2OH- (aq) + I2 (s)

สรุปผลการทดลอง จากการทดลองพบวา่ เซลล์กัลป์วานิก เปน็ เซลล์ไฟฟ้าเคมที ี่สามารถเกดิ ขึ้นได้เองโดยไมต่ ้องใช้กระแสไฟฟา้ ใน การกระตุ้นปฏิกริ ิยา ประกอบด้วยข้วั แอโนดและขว้ั แคโทด ซง่ึ ขว้ั แอโนด เป็นชัว้ ทเ่ี กดิ ปฏกิ ิริยาออกซเิ ดชัน โดยจะ ใหอ้ เิ ลก็ ตรอนไปยังขว้ั แคโทด ทเ่ี กิดปฏกิ ิรยิ ารดี ักชัน ซ่งึ จะรับอเิ ล็กตรอน สว่ นสะพานเกลือเป็นตัวช่วยในการดลุ ของประจใุ นสารละลายของครึ่งเซลล์ทง้ั สอง อกี ท้ังช้วั ทเ่ี กิดปฏกิ ิริยาออกซิเดชนั จะเป็นข้ัวลบทางไฟฟา้ และ ปฏิกริ ิยารีดักชนั จะเป็นขว้ั บวกทางไฟฟ้า สว่ นเซลล์อิเลก็ โทรไลตกิ เปน็ เซลลจ์ ะต้องใช้กระแสไฟฟ้าในการทำให้ เกดิ ปฏกิ ริ ิยา ประกอบดว้ ยขัว้ แอโนดและขั้วแคโทด ซง่ึ ขั้วแอโนด เปน็ ชวั้ ปฏิกริ ยิ าออกซิเดชนั คอื ขั้วทีต่ ่อกับ กระแสไฟฟ้าขวั้ บวก และขวั้ แคโทด เป็นขว้ั ปฏิกิรยิ ารีดกั ชัน คอื ข้ัวทีต่ ่อกบั กระแสไฟฟ้าข้ัวลบ