สไลด์การเรียนการสอน

ศกั ยไ์ ฟฟ้าของเซลล์และ ศกั ย์ไฟฟ้ามาตรฐาน คร่งึ เซลล์รดี กั ชนั 1

ศักยไ์ ฟฟา้ ของเซลล์ 1 ศกั ย์ไฟฟ้าของเซลล์ (cell potential, Ecell) คือผลต่างระหว่างศักย์ไฟฟา้ ของขั้วไฟฟ้า มหี น่วยเป็นโวลต์ (Volt หรือ V) เครอ่ื งมอื ทใี่ ช้วดั คือโวลต์มิเตอร์ 2 กระแสไฟฟ้าเคล่อื นท่จี ากขั้วบวก (ศกั ย์ไฟฟ้าสูง) ไปยงั ข้ัวลบ (ศักยไ์ ฟฟา้ ตา่ ) สว่ นอิเลก็ ตรอนจะเคลือ่ นที่ทศิ ทางตรงกันขา้ มกับ กระแสไฟ การไหลของกระแสไฟ การไหลของอิเล็กตรอน โวลต์มเิ ตอร์ 2

ศกั ยไ์ ฟฟา้ ของเซลล์ (ต่อ) กจิ กรรม 11.3 การทดลองวัดค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เคมีไฟฟ้า โวลต์มิเตอร์ Cu สะพานเกลือ Zn ZnSO4 CuSO4 ส่งิ ทไ่ี ดร้ จู้ ากการทดลอง หากต่อขั้วท่มี ศี กั ยไ์ ฟฟ้าสงู เขา้ กบั ขั้วบวกและต่อขั้วศักย์ไฟฟ้าต่ากว่าเขา้ กบั ขัว้ ลบของโวลต์มิเตอร์ ศักยไ์ ฟฟ้าของเซลล์ ท่ีวดั ได้จะเปน็ บวก แตถ่ า้ ตอ่ สลบั ขวั้ ศกั ย์ไฟฟา้ ของเซลล์ท่วี ดั ได้จะเปน็ ลบ 3

ศักยไ์ ฟฟ้ามาตรฐานครง่ึ เซลลร์ ดี กั ชัน 1 ครงึ่ เซลลไ์ ฮโดรเจนมาตรฐาน หรือนยิ มเรยี ก ขั้วไฟฟา้ ไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard Hydrogen Electrode, SHE) เนื่องจากการวัดค่าศกั ยไ์ ฟฟ้าไม่สามารถวดั ได้โดยตรง ดังน้นั นักวิทยาศาสตรจ์ ึงก่าหนดให้ใช้เป็นขั้วไฟฟ้ามาตรฐานทมี่ ี ศกั ย์ไฟฟา้ มาตรฐานเทา่ กับ 0.00 โวลต์ โดยใชค้ ร่ึงเซลล์ที่เกิดปฏิกริ ยิ ารีดักชันของไฮโดรเจนไอออน (H+) เพอ่ื ใช้เปน็ ครึ่งเซลล์ มาตรฐานในการเปรียบเทียบหาคา่ ศักย์ไฟฟ้าของครึง่ เซลล์ต่าง ๆ 2 ศักยไ์ ฟฟ้ามาตรฐานของครงึ่ เซลลร์ ดี กั ชนั (Standard Reduction Potential; E0) การนา่ คร่ึงเซลลท์ ต่ี ้องการทราบศกั ย์ไฟฟา้ (ตอ่ กับขั้วบวกของโวลต์มิเตอร์) ตอ่ เขา้ กับ SHE หมายเหตุ : 4 แอโนด (anode) คอื บริเวณดา้ นทีเ่ กิดการให้อเิ ลก็ ตรอน เปน็ ปฏกิ ริ ิยาออกซิเดชนั (Oxidation) แคโทด (cathode) คือ บริเวณด้านทเ่ี กดิ การรับอิเลก็ ตรอนเป็นปฏกิ ริ ิยารีดกั ชนั (reduction)

ตวั อย่าง การต่อครึง่ เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน SHE +0.34 V -0.76 V สมการเคมี สะพานเกลือ สะพานเกลอื Cu2+(aq) + 2e- 2H+(aq) + 2e- ทองแดง SHE สังกะสี Zn2+(aq) + 2e- ZnSO4 CuSO4 ZnSO4 CuSO4 ก. ครึ่งเซลลท์ องแดงมาตรฐาน ข. ครึง่ เซลล์สังกะสีมาตรฐาน สามารถรียงลา่ ดับความสามารถการเปน็ ตวั ออกซิไดส์ได้ดังน้ี Cu(s) E0 = +0.34 V (เกิดปฏกิ ิรยิ ารดี กั ชัน) Cu2 > H+ > Zn2+ H2(g) E0 = +0.00 V Zn2+(aq) + 2e-) Zn(s) E0 = -0.76 V (เกิดปฏกิ ิริยาออกซิเดชนั ดังสมการ Zn(s) 5

ศักยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานครึ่งเซลลร์ ดี กั ชนั (ต่อ) ตวั อยา่ งตารางที่ 11.3 คา่ ศกั ยไ์ ฟฟ้ามาตรฐานครึง่ เซลล์รดี กั ชัน ปฏิกริ ยิ าครง่ึ เซลลร์ ดี ักชนั E0 (v) ตรวจสอบความเขา้ ใจ +1.23 O2(g) + 4H+(aq) + 4e- 2H2O(l) +0.80 เรยี งความสามารถในการเป็นตัวออกซิไดส์จากมากไปนอ้ ยของ +0.34 Na+, Mg2+, Zn2+, Pb2+, H+, Cu2+, และ Ag+ Ag+(aq) + e- Ag(s) 0.00 -0.04 Ag+ > Cu2+ > H+ > Pb2+ > Zn2+ > Mg2+ > Na+ Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) -0.76 -2.87 2H+(aq) + 2e- H2(g) Fe3+(aq) + 3e- Fe(s) Zn2+(aq) + 2e- Zn(s) Ca2+(aq) + 2e- Ca(s) 6

จากตารางท่ี 11.3 แสดงคา่ ศกั ยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานครึ่งเซลล์รดี กั ชัน หากต้องการระบุค่าศกั ยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานครงึ่ เซลลอ์ อกซเิ ดชันจะต้องกลบั สมการ เชน่ Zn(s) E0red = -0.76 V ตวั อยา่ ง 13 ปฏกิ ิริยารดี ักชนั : Zn2+(aq) + 2e- การตอ่ คร่งึ เซลล์ Cu2+(aq)lCu(s) กับครง่ึ เซลล์ Pt(s)lFe3+(aq), Fe2+(aq) เป็นเซลล์กลั วานิก จะมคี า่ ศกั ย์ไฟฟา้ มาตรฐานของเซลล์ ปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชัน : Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- E0ox = +0.76 V เทา่ ใด สามารถค่านวณค่าศักดิ์ไฟฟ้าของเซลล์ได้จากผลตา่ งของคา่ ศักยไ์ ฟฟา้ รีดกั ชันท่ี วธิ ที ่า แคโทด (Ecathode) และแอโนด (Ecathode) ดงั น้ี จากตาราง 11.3 ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานชองครึ่งเซลลร์ ีดักชนั เปน็ ดงั นี้ สูตร Cu2+(aq)+2e- Cu(s) E0 = +0.34 v Fe3+(aq)+e- Fe2+(aq) E0 = +0.77 v ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ = ศักยไ์ ฟฟา้ รดี กั ชนั ทแ่ี คโทด – ศักยไ์ ฟฟ้ารดี ักชนั ท่ีแอโนด คา่ E0 สงู คือ ปฏกิ ริ ิยารดี กั ชัน E0cathode Ecell = Ecathode - Ecathode คา่ E0 ตา่ คือ ปฏิกริ ิยาออกซเิ ดชนั E0anode E0cell = E0cathode - E0anode E0cell = 0.77 v – 0.34 v E0cell = 0.43 v # 7

ตวั อยา่ งศกั ยไ์ ฟฟา้ ครง่ึ เซลล์