13 ไฟฟ้าเคมี

ไฟฟาเคม(Electrochemistry)

ไฟฟาเคม (Electrochemistry)

ไฟฟาเคม(เชน เซลลกลวานก) และกระแสไฟฟาทาใหเกดปฏกรยาเคม (เชนเซลลอเลกโทรไลต )

หากใชการถายเท e- เปนเกณฑแลวปฏกรยาเคมแบงเปน 2 ประเภท1.ปฏกรยา มการถายเท e- เรยกวา ปฏกรยารดอกซ (Redox Reaction)

2.ปฏกรยา ไมมการถายเท e- เรยกวา ปฏกรยานอนรดอกซ (Nonredox- Reaction)

หากใชการถายเท e- เปนเกณฑแลวปฏกรยาเคมแบงเปน 2 ประเภท1.ปฏกรยา มการถายเท e- เรยกวา ปฏกรยารดอกซ (Redox Reaction)

2.ปฏกรยา ไมมการถายเท e- เรยกวา ปฏกรยานอนรดอกซ (Nonredox- Reaction)

2

ปฏกรยารดอกซ (ปฏกรยาออกซเดชน-รดกชน)Redox reaction (Oxidation-Reduction reaction; Ox.)

ตวอยาง (Cu) จมลงในสารละลายของ AgNO3แผนโลหะ Cu Cuเกดการสกกรอน สวนสของสารละลาย AgNO3

เพราะโลหะทองแดง(Cu) เกดการเสยอเลกตรอนกลายเปน Cu2+ Ag+ รบอเลกตรอนเขามาจะกลายเปน Ag (โลหะเงน)

3

Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (ปฏกรยาออกซเดชน)Ag+(aq) + e- Ag(s) (ปฏกรยารดกชน)

e-Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (ปฏกรยาออกซเดชน)

2Ag+(aq) +2 e- 2Ag(s) (ปฏกรยารดกชน)e-

ได

Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (ปฏกรยาออกซเดชน)Ag+(aq) + e- Ag(s) (ปฏกรยารดกชน)

e-Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (ปฏกรยาออกซเดชน)

2Ag+(aq) +2 e- 2Ag(s) (ปฏกรยารดกชน)e-

ไดCu(s) + Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s) (ปฏกรยารดอกซ)

(ใหจาวา“ร”“รบ” “ลด” รคอรดกซน รบคอรบอเลกตรอน ลดคอการลดของเลขออกซเดชน)

ตวออกซไดสตวรดวซ

สรปไดวาการเกดปฏกรยารดอกซจะตองประกอบไปดวย

1. ให e- เรยกวาตวรดวซ เกดปฏกรยาออกซเดชน (Oxidation Reaction)

2. รบ e- เรยกวาตวออกซไดซ เกดปฏกรยารดกชน (Reduction Reaction)

ตวออกซไดส

•ใหอเลกตรอน•มเลข Oxidation number••ถกออกซไดส•อยในปฏกรยา Oxidation

•รบอเลกตรอน•มเลข Oxidation number ลดลง• ไดส•ถกรดวซ•อยในปฏกรยา Reduction

ตวรดวซ

5

เลขออกซเดชน (Oxidation number, Ox no.)

• e-

•สวนใหญเปนเลขจานวนเตม ( 0, 1, 2, 3, ... )• + หรอ - กได

6

กฎเกณฑการพจารณา Ox no.1. อะตอมของธาตตางๆ ในสภาวะอสระ ม Ox no. = 0

Ex. Zn, Ag, Hg, Cl2, H2, P4, S8

2. ม Ox no.=Ex. Na+, Cl-, Al3+ , S2-

3. ในสารประกอบ โลหะหม IA Ox no. = +1 เสมอโลหะหม IIA Ox no. = +2 เสมอโลหะหม IIIA Ox no. = +3 เสมอ

3. ในสารประกอบ โลหะหม IA Ox no. = +1 เสมอโลหะหม IIA Ox no. = +2 เสมอโลหะหม IIIA Ox no. = +3 เสมอ

O : Ox no. = -2 ยกเวน ในperoxide Ex. H2O2, Na2O2

H : Ox no. = +1 ยกเวน ในโลหะไฮไดร Ex. LiH, CaH2

4. ผลรวมทางพชคณตของ Ox no. จะมคา =

Note SO42- , CN- , CO3

2- , NO3- Ox no. เทากบจานวนประจ

7

หลกในการพจารณาเลขออกซเดชนของธาตในสารประกอบเชน

โลหะหม IA, IIA, IIIA, O และ Hตอไป โดยคานวณจาก ผลรวมทางพชคณตของเลขออกซเดชนจะมคาเทากบประจของ

ตามกฏขอสดทายตวอยางการหาเลขออกซเดชนของธาต

Mn2O7 2Mn + 7O = 02Mn + 7(-2) = 02Mn = 14

Mn = +7 #

Na3PO4 3Na + P + 4O = 03(1) + P + 4(-2) = 03 + P – 8 = 0

P = +5 #

Mn2O7 2Mn + 7O = 02Mn + 7(-2) = 02Mn = 14

Mn = +7 #

MnSO4 Mn + SO4 = 0Mn + (-2) = 0Mn = +2 #

8

Na3PO4 3Na + P + 4O = 03(1) + P + 4(-2) = 03 + P – 8 = 0

P = +5 #

C2O42- 2C + 4O = -2

2C + 4(-2) = -22C = 6C = +3 #

สารประกอบหรอไอออน

ผลรวมทางพชคณตของเลขออกซเดชน

เลขออกซเดชนของ เลขออกซเดชนของ

1) SO42- -2 O=-2 +6

2) MnO2 0 O=-2 +4

3) KMnO4 0 K = +1, O = -2 +7

4) ClO4-1 0 O=-2 +7

5) Cr2O7-2 -2 O=-2 +6

การระบเลขออกซเดชนของธาตในสารประกอบหรอไอออน1 อะตอม

9

การพจารณาวาเปนปฏกรยารดอกซหรอไม

เลขออกซเดชน 0 +1 +2 0Redox Cu (s) + 2 Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2 Ag (s)

เลขออกซเดชน +1-1 +1-2 +1 +1-1 +1-2

Non-redox HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H2O (l)

การดลสมการรดอกซ ผลตภณฑ

• = ขวา• (ใน oxidation) = (ในReduction)• ดลจานวนประจไฟฟา ซาย = ขวา

• = ขวา• (ใน oxidation) = (ในReduction)• ดลจานวนประจไฟฟา ซาย = ขวา

การดลสมการรดอกซม 2 วธ

1. การดลสมการรดอกซ Ox no.

2. การดลสมการรดอกซ

11

การดลสมการรดอกซ Ox no.

•• ดลจานวนประจไฟฟา : ทาให e- Oxidation = ใน Reduction

1. ตรวจสอบ Ox no. ของธาตทกตวในปฏกรยา2. Ox no.3. พจารณาวา ตวรดวซให e- ?, ตวออกซไดสรบ e- ?4. ทาจานวน e-5.

- H+ กรณ สารละลายกรด- OH- กรณ สารละลายเบส

6. ดลจานวน O และ H H2O7. Check 2 ขางใหเทากน

1. ตรวจสอบ Ox no. ของธาตทกตวในปฏกรยา2. Ox no.3. พจารณาวา ตวรดวซให e- ?, ตวออกซไดสรบ e- ?4. ทาจานวน e-5.

- H+ กรณ สารละลายกรด- OH- กรณ สารละลายเบส

6. ดลจานวน O และ H H2O7. Check 2 ขางใหเทากน

12

EX. Cr2O72-+ H2S Cr3+ + S ( in acid solution) Ox No

วธทา1. ตรวจสอบ Ox no. ของธาตในสารทกตว +6 -2 +1-2 +3 0

Cr2O72- + H2S Cr3+ + S

2. Ox no. +6 -2 +1-2 +3 0Cr2O7

2- + H2S 2 Cr3+ + S

3. พจารณาวาตวรดวซให e- ไดสรบ e-

ตว (ขอสงเกตCr 1 อะตอม Ox.No. ลดลง 3 หนวย ถาCr 2 อะตอม Ox.No. ลดลง 6 หนวย = รบ e- 6 ตว)4. ทาจานวน e- +6 -2 +3 0

Cr2O72- + 3 H2S 2 Cr3+ + 3 S

ให e- =2รบ e-

=(2 อะตอม)x3=6

3=64. ทาจานวน e- +6 -2 +3 0Cr2O7

2- + 3 H2S 2 Cr3+ + 3 S

5. 2ถาไมเทากน ใหดลจานวนประจโดยการ- เตม H+ (ในสารละลายกรด)

-2 + 3(0) ≠ 2(+3) + 3(0)Cr2O7

2- + 3H2S + 8H+ 2 Cr3+ + 3S-2 + 3(0) + 8 = 2(+3) + 3(0)

6. ใหตรวจสอบจานวนอะตอมของ O และ H และ

ทาจานวน O และ H 2 H2O

Cr2O72- + 3H2S + 8H+ 2 Cr3+ + 3S

O = 7, H = 14 O= 0 , H = 0Cr2O7

2- + 3H2S + 8H+ 2 Cr3+ + 3S + 7H2OO = 7 , H = 14 O = 7 , H = 14

7.Check 2 ขาง Cr2O72- + 3H2S + 8H+ 2 Cr3+ + 3S+7H2O

3=6

13

ตวอยางการดลสมการรดอกซ

14

15

EX. KMnO4+ KNO2 + H2SO4 MnSO4 + H2O + KNO3 + K2SO4

16

17

การดลสมการรดอกซ

1. ตรวจสอบเลขออกซเดชนของธาตในสารทกตวในปฏกรยา พจารณาวาสารใดเปนตวรดวซ (Ox. No เพม) และ สารใดเปนตวออกซไดส (Ox. No ลด)

2.3.

- ดลธาตทม การเ ปล ยนแปลง เ ลขออกซ เ ดช น- เตมอเลกตรอนเขาไปในดานทม เลขออกซ เดช นส งกว า ให มจานวนเ ท าก บ

- ดลจานวนประจไฟฟาโดยการเตม H+ ในกรณทปฏ ก รยาเ ก ดใ นสารละลายกร ดและเตม OH- ในกรณทปฏ ก รยาเ ก ดใ นสารละลายเ บส

- ดลจานวนอะตอมของ O และ H และทาจานวน O และ H ท ง2 ฝงให เท าก นโดยการเตม H2O

4. ทาแตละครงปฏ ก รยาให สมบ รณ โดยการค ณด วยต วเ ลขน อยท สด เ พอทาใ ห จ านวนอเลกตรอนของครงปฏ ก รยาท งสอง เทากน

5. รวมครงปฏ ก รยาท สมบ ร ณเ ขาดวยก น Check จานวนอะตอม และ ประจไฟฟาท ง2 ขาง

1. ตรวจสอบเลขออกซเดชนของธาตในสารทกตวในปฏกรยา พจารณาวาสารใดเปนตวรดวซ (Ox. No เพม) และ สารใดเปนตวออกซไดส (Ox. No ลด)

2.3. ดลแตละครงปฏ ก รยา ตามข นตอนน

- ดลธาตทม การเ ปล ยนแปลง เ ลขออกซ เ ดช น- เตมอเลกตรอนเขาไปในดานทม เลขออกซ เดช นส งกว า ให มจานวนเ ท าก บ

- ดลจานวนประจไฟฟาโดยการเตม H+ ในกรณทปฏ ก รยาเ ก ดใ นสารละลายกร ดและเตม OH- ในกรณทปฏ ก รยาเ ก ดใ นสารละลายเ บส

- ดลจานวนอะตอมของ O และ H และทาจานวน O และ H ท ง2 ฝงให เท าก นโดยการเตม H2O

4.อเลกตรอนของครงปฏ ก รยาท งสอง เทากน

5. รวมครงปฏ ก รยาท สมบ ร ณเ ขาดวยก น Check จานวนอะตอม และ ประจไฟฟาท ง2 ขาง 18

19

การดลสมการรดอกซ

20

21

22

23

เซลลไฟฟาเคม แบงออกเปน 2 ประเภทคอ1.เซลลกลวานก (galvanic cell) หรอเซลลโวลตาอก (voltaic cell) ;

2. เซลลอเลกโทรไลต (electrolytic cell);กระแสไฟฟาทาใหเกดปฏกรยาเคม

OxidationAnode

ReductionCathode

1.เซลลกลวานก ( Galvanic cell)

(Electrode) 2 ทาหนาท เป น ทางเ ด นของ e-

ข วท เกดปฏ กร ยาออกซ เ ดช น (Anode) = ข ว– ,(Cathode) = ข ว+สารละลาย Electrolyte ทาหนาท แหล งไอออน + และ –

คลกทภาพ

สะพานเกลอ (Salt bridge)

สารละลายอเลกโทรไลตเซลลสมดลกน

1. เปนสารประกอบไอออนก2.3.

ใกลเคยงกน4. KNO3 , KCl, NH4 Cl5.

1. เปนสารประกอบไอออนก2.3.

ใกลเคยงกน4. KNO3 , KCl, NH4 Cl5.

แผนภาพเซลลไฟฟาเคมA(s) + B+(aq) A+(aq) + B(s)

แผนภาพเซลลไฟฟาเคม A(s) | A+(aq) | | B+(aq) | B(s)

ครงเ ซลล ออกซ เดช น ครงเ ซลล รดกช น

หมายเหต 1. | | |สารตาง สถานะ

2. หากตองการระบความเขมขนใหเขยนไวในวงเลบแลววางหลงสารละลายเชน Cu(s) | Cu2+(aq)(0.1M) | | Ag+(aq)(0.1M) | Ag(s)

3. หากสารในสถานะเดยวกนมมากกวา 1 ( , ) เชนFe(s) | Fe2+(aq) , Fe3+(aq) | | Cu2+(aq) | Cu(s)

4.เชน Pt(s) | H2(atm) | H+(aq) | | Ag+(aq) | Ag(s)

หมายเหต 1. | | |สารตาง สถานะ

2. หากตองการระบความเขมขนใหเขยนไวในวงเลบแลววางหลงสารละลายเชน Cu(s) | Cu2+(aq)(0.1M) | | Ag+(aq)(0.1M) | Ag(s)

3. หากสารในสถานะเดยวกนมมากกวา 1 ( , ) เชนFe(s) | Fe2+(aq) , Fe3+(aq) | | Cu2+(aq) | Cu(s)

4.เชน Pt(s) | H2(atm) | H+(aq) | | Ag+(aq) | Ag(s)

27

เซลลรดกชน เซลลออกซเดชน

ปฏกรยารดอกซ “Daniel cell”

28

(Standard Half Cell Potential)

จากรปเซลลไฟฟา Zn-Cu เมอใ ช ความเ ข มข นของไอออนของสารละลายใ นแต ละคร งเซลลเทากบ 1.0 M ท 25 C จะม 1.10 V ถาทราบศกยไฟฟาของอเลกโทรดใด อเลกโทรดหนงแล วน าไปลบออกจาก 1.10 V กจะทราบคาของอเลกโทรดหนง แต ในทางปฏ บ ตไม สามารถว ด ศ กย ไฟฟ าของอ เล กโ ทร ดเ ด ยวๆไ ด

ไฮโดรเจนอเลกโทรดมาตรฐาน(Standard Hydrogen Electrode: SHE)ใน แพตตนม (อเลกโทรดเฉอย ) จมอยในสารละลาย

กรดไฮโดรคลอรกเขมขน 1 M และแกสไฮโดรเจนอยภายใตสภาวะมาตรฐาน คอ ความดนแกส

เทากบ 1 atm และวดทอณห ภ ม 25 C โดยผานแกสไฮโดรเจนลงไปในสารละลายกรด

ตลอดเวลา จงเกดสมดลดงสมการ

มาตรฐานไฮโดรเจนอเลกโทรดมาตรฐาน

(Standard Hydrogen Electrode: SHE)ใน แพตตนม (อเลกโทรดเฉอย ) จมอยในสารละลาย

กรดไฮโดรคลอรกเขมขน 1 M และแกสไฮโดรเจนอยภายใตสภาวะมาตรฐาน คอ ความดนแกส

เทากบ 1 atm และวดทอณห ภ ม 25 C โดยผานแกสไฮโดรเจนลงไปในสารละลายกรด

ตลอดเวลา จงเกดสมดลดงสมการ2 H+ + 2 e- H2 (g)

ศกยมาตรฐานของครงเ ซลล ไฮโ ดร เ จนอ เล กโ ทร ดมาตร ฐานเทากบ 0.00 V และใชสญลกษณE แทนคาศกยไฟฟาทสภาวะมาตราฐาน

30

มาตรฐาน

Cu/Cu2+

หรอ Zn/Zn2+ กนาอเลกโทรดเหลาน นมา จ บค กบอ เล กโ ทร ด

ศกยไฟฟาของไฮโดรเจนอเลกโทรดมาตรฐานเทากบ0.00 V

ภายใตสภาวะมาตรฐานอณหภม : 25 C หรอ 298 KGas: ความดน 1 atmSolution: ความเขมขน 1โมลาร

Zn Zn2+ + 2 e- Eoox = 0.763 V Eo

Red = 0.340 V

Zn2+ + 2 e-Zn Eoox = -0.763 V

Cu2+ + 2 e- Cu31

(Standard Half Cell Potential)

(SHE) H2 (g) 2 H+ (aq)+ 2 e-

(Cu) Cu2+ (aq) + 2 e- Cu(s)

กลวานก SHEและ Cu ดงรป จากโวลตมเตอรไดคาศกยไฟฟามาตรฐานของเซลลเทากบ0.34 Vพบวาไฮโดรเจนมความสามารถใหอเลกตรอนไดดกวา Cu

(SHE) H2 (g) 2 H+ (aq)+ 2 e-

(Cu) Cu2+ (aq) + 2 e- Cu(s)

ดงน น Ecell = ECu - ESHE

0.34 = ECu – 0.00V

ECu = 0.34V – 0.00V = 0.34V

โดยท E°Cell = E°คาโทด - E°อาโนด

32

กลวานกSHE และ Zn ดงรป จากโวลตมเตอรไดคาศกยไฟฟามาตรฐานของเซลลเทากบ0.76 V พบวา Zn มความสามารถใหอเลกตรอนไดดกวา แกสไฮโดรเจน

(SHE) Zn(s) Zn2+ (aq) + 2 e-

(Cu) H2 (g) 2 H+ (aq)+ 2 e-(SHE) Zn(s) Zn2+ (aq) + 2 e-

(Cu) H2 (g) 2 H+ (aq)+ 2 e-

ดงน น Ecell = ESHE - EZn

0.76 = 0.00V–EZn

EZn = 0.00V-0.76V = -0.76V

โดยท E°Cell = E°คาโทด - E°อาโนด

33

34

(Standard Half Cell Potential)

ถามการกลบสมการ คาE°ถามการคณสมการดวยตวเลขใดๆ คาE° คา E°reduction e- ไดด (แนวโนม

) คา E°reduction e- ไดด (แนวโนม

)

E° หากไมมการระบวาเปน E°reduction หรอE°oxidation ใหถอวาเปน E°reduction

ถามการกลบสมการ คาE°ถามการคณสมการดวยตวเลขใดๆ คาE° คา E°reduction e- ไดด (แนวโนม

) คา E°reduction e- ไดด (แนวโนม

)

E° หากไมมการระบวาเปน E°reduction หรอE°oxidation ใหถอวาเปน E°reduction

35

ประโยชนของคา E°reduction

1. ใชเปรยบเทยบความสามารถในการเปนตวรดวซและตวออกซไดซสารทให e- ไดด E° ตา , สารทรบ e- ไดด E° สง

เชน Zn2+(aq) + 2 e- Zn(s) E° = - 0.76 VoltAg+(aq) + e- Ag(s) E° = 0.80 Volt

พจารณา Eo Zn2+ < Eo Ag+

1. ใชเปรยบเทยบความสามารถในการเปนตวรดวซและตวออกซไดซสารทให e- ไดด E° ตา , สารทรบ e- ไดด E° สง

เชน Zn2+(aq) + 2 e- Zn(s) E° = - 0.76 VoltAg+(aq) + e- Ag(s) E° = 0.80 Volt

พจารณา Eo Zn2+ < Eo Ag+

ตวรดวซ : Zn > Agตวออกซไดซ : Ag+ > Zn2+

36

ประโยชนของคา E°reduction

2.

อาศยหลก E°Cell = E°คาโนด - E°อาโนด

E° = E°ข วบว ก - E°ข วลบ

= E°สง - E°ตา

ประโยชนของคา E°Cell

E°Cell > 0 ปฏกรยาเกดได

E°Cell < 0 ปฏกรยาเกดไมได (เกดในทศตรงขาม)

E°Cell = 0 ปฏกรยาเกดไมไดแนนอน

2.

อาศยหลก E°Cell = E°คาโนด - E°อาโนด

E° = E°ข วบว ก - E°ข วลบ

= E°สง - E°ตา

ประโยชนของคา E°Cell

E°Cell > 0 ปฏกรยาเกดได

E°Cell < 0 ปฏกรยาเกดไมได (เกดในทศตรงขาม)

E°Cell = 0 ปฏกรยาเกดไมไดแนนอน

37

EX. Ag | Ag+ ตอกบครงเ ซลล ของ Pt | H2 | H+ พบวาเขม

ของโวลตมเตอรเบนหาข วAg และอานคาได 0.80 Volt ใหหาคา E° ของ Ag+ + e-

Ag

วธทา Ag

แสดงวา Ag | Ag+ รบ e-

Pt | H2 | H+ ให e-

จาก E°Cell = E°คาโทด - E°อาโนด

0.80 = Eo Ag - Eo H2

0.80 = Eo Ag – 0

ดงน น Eo Ag = 0.80 Volt

นนหมายความว า Ag+ + e- Ag E° = 0.80 Volt

EX. Ag | Ag+ ตอกบครงเ ซลล ของ Pt | H2 | H+ พบวาเขม

ของโวลตมเตอรเบนหาข วAg และอานคาได 0.80 Volt ใหหาคา E° ของ Ag+ + e-

Ag

วธทา Ag

แสดงวา Ag | Ag+ รบ e-

Pt | H2 | H+ ให e-

จาก E°Cell = E°คาโทด - E°อาโนด

0.80 = Eo Ag - Eo H2

0.80 = Eo Ag – 0

ดงน น Eo Ag = 0.80 Volt

นนหมายความว า Ag+ + e- Ag E° = 0.80 Volt 38

(Standard Half Cell Potential)ตวอยาง 2Ag+(aq) + Mg(s) 2Ag(s) + Mg2+(aq)

Eocell = Eo

Cathode – Eoanode

= +0.80V – (-2.37 V) = +3.17 V ปฏกรยา

ตวอยาง Fe2+(aq) + Ni(s) Fe(s) + Ni2+(aq)

Eocell = Eo

Cathode – Eoanode

= -0.45 V – (-0.26 V) = -0.19 V

คอ

Fe(s) + Ni2+(aq) Fe2+(aq)+ Ni(s)

ตวอยาง Fe2+(aq) + Ni(s) Fe(s) + Ni2+(aq)

Eocell = Eo

Cathode – Eoanode

= -0.45 V – (-0.26 V) = -0.19 V

คอ

Fe(s) + Ni2+(aq) Fe2+(aq)+ Ni(s)

39

ดอกซ1. กาหนดให Ag+ + e- Ag E = 0.80 V

Fe3+ + e- Fe2+ E = 0.77 VNi2+ + 2e- Ni E = -0.26 VFe2+ + 2e- Fe E = -0.45 VZn2+ + 2e- Zn E = -0.76 VCr3+ + 3e- Cr E = -0.74 VNa+ + e- Na E = -2.71 V

1.1(จากคา E Ag+ /Ag Ag+ สามารถรบ e- )

1.2 จงหาคา Eocell Ni2+/Ni และ Na+/Na

(+2.47)

1.3. ปฏกรยา 2Ag+ (aq) + Zn(s)2Ag(s)+ Zn2+ (aq)(+1.56 )

1.1(จากคา E Ag+ /Ag Ag+ สามารถรบ e- )

1.2 จงหาคา Eocell Ni2+/Ni และ Na+/Na

(+2.47)

1.3. ปฏกรยา 2Ag+ (aq) + Zn(s)2Ag(s)+ Zn2+ (aq)(+1.56 )

40

2.เปอรแมงกาเนตไอออนถกรดวซดวยโบรไมด(1M) ไดหรอไม ถากาหนดให

MnO4- + 8H + e - Mn2+ + 4H2O E° = +1.51 V

Br2 + e- 2Br- E° = +1.09 V

วธทา คา E มคามาก จะทาหนาทเป น cathode ถาคา E มคานอย จะทาหนาทเป น anodeใชสตร

วธทา คา E มคามาก จะทาหนาทเป น cathode ถาคา E มคานอย จะทาหนาทเป น anodeใชสตร Eo

cell = EoCathode – Eo

anode

= (+1.51)-(+1.09)

= 0.42 VEo

cell เปอรแมงกาเนตไอออนถกรดวซดวยโบรไมด(1M) ได

41

และมสมการรดอกซคอ

2MnO4- + 16H + 10e - 2Mn2+ + 8H2O E° = +1.51 V

10Br- 5Br2 + 10e- E° = -1.09 V________________________________________________________________

รดอกซ (ปฏกรยาออกซเดชน-รดกชน)คอ2MnO4

- + 16H +10Br-- 2Mn2+ + 8H2O + 5Br2 E°cell = = 0.42 V

ตอ

และมสมการรดอกซคอ

2MnO4- + 16H + 10e - 2Mn2+ + 8H2O E° = +1.51 V

10Br- 5Br2 + 10e- E° = -1.09 V________________________________________________________________

รดอกซ (ปฏกรยาออกซเดชน-รดกชน)คอ2MnO4

- + 16H +10Br-- 2Mn2+ + 8H2O + 5Br2 E°cell = = 0.42 V

42

3.Ni(OH)2 + 2e - Ni + 2OH- E = -0.72 V

CrO42- + 4H2O + 3e - Cr(OH)3 + 5OH- E = -0.12 V

จากคา E แสดงวา CrO42- รบ e – ไดดกวา Ni(OH)2 เพราะมคา E มากกวา

ปฏกรยารดกชนทแคโ ทด 2CrO42- + 8H2O + 6e - 2Cr(OH)3 + 10OH- E = -0.12 V

ปฏกรยาออกซเดชนทแอโ นด 3Ni + 6OH- 3Ni(OH)2 + 6e - E = +0.72 V

____________________________________________________________________

ปฏกรยารดอกซ 2CrO42-+ 8H2O + 3Ni - 2Cr(OH)3 + 3Ni(OH)2 +4OH- E cell= +0.60 V

43

เซลลกลวานกแบงออกไดเปน 2 ชนด ในแงการใชงาน1. เซลลปฐมภม (primary cell)

ดาเนนไปแลว ปฏกรยาจะเกดข นอย างสมบ รณ และเ ก ดปฏ กรยาย อนกล บไ ม ได หร อน ามา อ ดไ ฟใ หมไมได

2. เซลลทตยภม (secondary cell) เกดปฏกรยายอนกลบไดหรอนามาอดไฟใหมได

เซลลกลวานก

เซลลกลวานกแบงออกไดเปน 2 ชนด ในแงการใชงาน1. เซลลปฐมภม (primary cell)

ดาเนนไปแลว ปฏกรยาจะเกดข นอย างสมบ รณ และเ ก ดปฏ กรยาย อนกล บไ ม ได หร อน ามา อ ดไ ฟใ หมไมได

2. เซลลทตยภม (secondary cell) เกดปฏกรยายอนกลบไดหรอนามาอดไฟใหมได

44

เซลลกลวานก1.เซลลกลวานกแบบปฐมภม (Primary galvanic cell) Ex. เซลลแหงหรอเซลลถานไฟฉาย (Dry

Cell)

45

2. เซลลกลวานกแบบทตยภม (Secondary galvanic cell)Ex. เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว หร อ แบตตาร (Lead storage battery)

Anode (-) = Pb

Cathode (+) = PbO2

Electrolyte = H2SO4 เจอจาง

Anode (-) Pb (s) + SO42- PbSO4 (s) + 2e-

Cathode (+) PbO2 (s) + SO42- + 4H+ + 2e-PbSO4 (s) + 2H2O

Anode (-) Pb (s) + SO42- PbSO4 (s) + 2e-

Cathode (+) PbO2 (s) + SO42- + 4H+ + 2e-PbSO4 (s) + 2H2O

Redox การจายไฟPb (s) + PbO2 (s) + 2HSO4

- + 2H+ 2PbSO4 (s) + 2H2O1. Ecell = 2.0 V 1 Battary ใช 6 เซลลตอกน= 12 V2.การอดไฟ 2PbSO4 (s) + 2H2O Pb (s) + PbO2 (s) + 2HSO4

- + 2H+46

อเลกโตรไลซส (Electrolysis)

2Au (s) + Zn2+ (aq) 2Au+ (aq) + Zn (s) Eocell = -2.18 V

(E°Cell < 0 ) แตถาปอนศกยไฟฟาเขาไป > 2.18 Vพบวา ปฏกรยาน จะเ ก ดไ ด อเลกโตรไลซส

47

อเลกโตรไลซส คอ กระบวนการเกดปฏกรยาหรอการเปลยนแปลงทางเ คม โดยอาศ ยพล งงานไ ฟฟ าจากภา ยนอก

เซลลอเลกโตรไลตก (Electrolytic Cell)

เซลลทเก ดกระบวนการอเลกโตรไลซสประกอบดวย1. ข วไฟฟ า 2 ข ว

AnodeCathode

2. แหลงจายไฟ (Power Supply)= ข วลบ

ข วท ตอกบขวบวกของแหล ง จายไฟ = ข วบว ก3. สารละลาย Electrolyte แหลง และทางเดนของไอออน

เซลลทเก ดกระบวนการอเลกโตรไลซสประกอบดวย1. ข วไฟฟ า 2 ข ว

AnodeCathode

2. แหลงจายไฟ (Power Supply)= ข วลบ

ข วท ตอกบขวบวกของแหล ง จายไฟ = ข วบว ก3. สารละลาย Electrolyte แหลง และทางเดนของไอออน

2 Na+ (l) + 2 Cl- (l) 2Na (l) + Cl2 ( g)

OxidationAnode

ReductionCathode

48

เซลลกลวานก เซลลอเลกโตรไลตก1. ประกอบดวย

- ข วไฟฟ า 2 ข ว- สารละลาย Electrolyte- แผนพรนหรอสะพานเกลอ

2. ทศทางการไหลของ e-- ดจาก เขมของ Ammeter- ดจาก E ของแตละครงเ ซลล

วาครงเ ซลล ไหนใ ห e- (E )ครงเ ซลล ไหนร บ e- (E )

3. การกาหนดข วของเ ซลล- Anode Oxidation- Cathode Reduction- ข ว+ e- ไหลเขา- ข ว– e- ไหลออก

ดงน นAnode ข ว- Cathode ข ว+

1. ประกอบดวย- ข วไฟฟ า 2 ข ว- สารละลาย Electrolyte- แหลงจายไฟ

2. ทศทางการไหลของ e-- ดจาก เขมของ Ammeter- ดจากการตอกบแบตตาร

e- วงออกจากข ว - ของ Batte- วงเ ข าหาข ว + ของ Batt

3. การกาหนดข วของเ ซลล- Anode Oxidation- Cathode Reduction- ข ว+ +ของ Batt- ข ว- -ของ Batt

ดงน นAnode ข ว+ Cathode ข ว-

1. ประกอบดวย- ข วไฟฟ า 2 ข ว- สารละลาย Electrolyte- แผนพรนหรอสะพานเกลอ

2. ทศทางการไหลของ e-- ดจาก เขมของ Ammeter- ดจาก E ของแตละครงเ ซลล

วาครงเ ซลล ไหนใ ห e- (E )ครงเ ซลล ไหนร บ e- (E )

3. การกาหนดข วของเ ซลล- Anode Oxidation- Cathode Reduction- ข ว+ e- ไหลเขา- ข ว– e- ไหลออก

ดงน นAnode ข ว- Cathode ข ว+

1. ประกอบดวย- ข วไฟฟ า 2 ข ว- สารละลาย Electrolyte- แหลงจายไฟ

2. ทศทางการไหลของ e-- ดจาก เขมของ Ammeter- ดจากการตอกบแบตตาร

e- วงออกจากข ว - ของ Batte- วงเ ข าหาข ว + ของ Batt

3. การกาหนดข วของเ ซลล- Anode Oxidation- Cathode Reduction- ข ว+ +ของ Batt- ข ว- -ของ Batt

ดงน นAnode ข ว+ Cathode ข ว-49

เซลลอเลกโทรไลต 1โมลทาปฏกรยารดอกซ 1 ฟาราเดย(Faraday; F)

1 ฟาราเดย หรอ 96,487 คลอมบ จะทาใหสารเกดอเลกโทรไลซส ได 1 กรมสมมล เสมอ

กฎของฟาราเดย

กฏของฟาราเดย เซลลอเลกโตรไลต

เซลลอเลกโทรไลต 1โมลทาปฏกรยารดอกซ 1 ฟาราเดย(Faraday; F)

1 ฟาราเดย หรอ 96,487 คลอมบ จะทาใหสารเกดอเลกโทรไลซส ได 1 กรมสมมล เสมอ

ปรมาณไฟฟา 1 ฟาราเดย = ประจไฟฟาของ e- x จานวน e- 1 mol= ( 1.602 x 10-19 C ) x ( 6.02 x 1023 )= 96,487 C

สาร 1 กรมสมมล = e- 1 mol

= น าหน กสาร 1 โมล = 1 โมลเลขออกซเดชนทเปล ยนไ ป จานวนอเลกตรอนทถายเ ท 50

ปรมาณไฟฟา 1 ฟาราเดย(1F)

การคานวณปรมาณไฟฟา

กระแสไฟฟา (I) แอมแปร(A)

ปรมาณไฟฟา (Q) คลอมบ(C)

ปรมาณไฟฟา (คลอมบ) = กระแสไฟฟา (แอมแปร) x เวลา (วนาท)Q = I x t

ปรมาณไฟฟา (คลอมบ) = กระแสไฟฟา (แอมแปร) x เวลา (วนาท)Q = I x t

Faraday’s law of Electrolysis1. ถาเปนปฏกรยาชนดเดยวกน

Anode and Cathode แปรผนโดยตรง Q และ It

2. ถาให Q เทากน ( )น าหน กสาร ทเก ดข นท Anode and Cathode แปรผนโดยตรง น าหน กสมม ลของสารน น

51

Example1.

ในการแยกสารละลาย AgNO3 ดวยกระแสไฟฟา 2 แอมแปร เปนเวลา 1

ราเดย จากสตร Q = I t

Q = I t= 2 A x 3600 s = 7,200 C

แปลงหนวย C เปน F โดย 96,487 C = 1 F

7,200 C = 7,200 x 1 F/ 96,487 C =0.075 F #

ในการแยกสารละลาย AgNO3 ดวยกระแสไฟฟา 2 แอมแปร เปนเวลา 1

ราเดย จากสตร Q = I t

Q = I t= 2 A x 3600 s = 7,200 C

แปลงหนวย C เปน F โดย 96,487 C = 1 F

7,200 C = 7,200 x 1 F/ 96,487 C =0.075 F #

52

(แคโทด) Ag+ (aq) + e- Ag(s)อเลกตรอน 1 โมล

ปรมาณไฟฟา 1 F เซลลอเลกโทรไลต เพอใ หอเลกตรอน 1 โมลทาปฏกรยาออกซเดชน-รดกชน

ดงนนปร มา ณไ ฟฟ า 1 F ทาใหเกดโลหะเงนได1 โมล = 107.868 กรม

ถาปรมาณไฟฟา 0.075 F จะทาใหเกดโลหะเงนหนก = (0.075 F x 107.868 กรม)/1 F

= 8.09 กรม

เกดโลหะเงนหนก 8.09 กรม

Example 1.(ตอ)

(แคโทด) Ag+ (aq) + e- Ag(s) แสดงวาทขวแคโทดม ร บอเลกตรอน 1 โมล

ปรมาณไฟฟา 1 F คอปรมาณไฟฟาทจะต อง ผ านเ ข าไปใ น เซลลอเลกโทรไลต เพอใ หอเลกตรอน 1 โมลทาปฏกรยาออกซเดชน-รดกชน

ดงนนปร มา ณไ ฟฟ า 1 F ทาใหเกดโลหะเงนได1 โมล = 107.868 กรม

ถาปรมาณไฟฟา 0.075 F จะทาใหเกดโลหะเงนหนก = (0.075 F x 107.868 กรม)/1 F

= 8.09 กรม

เกดโลหะเงนหนก 8.09 กรม 53

จะตองใชเวลานานเทาไร ในการแยก Cu 15.885 กรม จากสารละลาย CuSO4 โดยใชกระแสไฟฟา25 แอมแปร

วธทา หาปรมาณไฟฟาเปนคลอมปททาให เก ด Cu 15.885 กรมปฏกรยาทขวแคโ ทดม การ ร บอเ ลกตร อน 2 โมล แสดงวามการใชปรมาณไฟฟา 2 F

Cu2+ + 2e- Cu(s)

จากสมการ เกด Cu(s) โมลดงน น ปรมาณไฟฟา 1 F =96,487 C

ปรมาณไฟฟา 2 F =2 F x 96,487 C/1F =192,974 C

Example 2

จะตองใชเวลานานเทาไร ในการแยก Cu 15.885 กรม จากสารละลาย CuSO4 โดยใชกระแสไฟฟา25 แอมแปร

วธทา หาปรมาณไฟฟาเปนคลอมปททาให เก ด Cu 15.885 กรม2 โมล แสดงวามการใชปรมาณไฟฟา 2 F

Cu2+ + 2e- Cu(s)

จากสมการ เกด Cu(s) โมลดงน น ปรมาณไฟฟา 1 F =96,487 C

ปรมาณไฟฟา 2 F =2 F x 96,487 C/1F =192,974 C

54

เมอแยก Cu(s) 63.546 กรม (1 โมล) จะตองใชปรมาณไฟฟา 192,974 C

ถาตองการแยก Cu(s) 15.885 กรม จะตองใชปรมาณไฟฟา=(15.885 กรม x 192,974 C)/ 63.546 กรม= 48,238.94 C

หาเวลาจากสตร Q=I t

t=Q/I = 48,238.94 C/ 25 A =1929.52 s

ตองใชเวลา 1930 วนาท หรอ 32 นาท 16 วนาท

Example 2(ตอ)

เมอแยก Cu(s) 63.546 กรม (1 โมล) จะตองใชปรมาณไฟฟา 192,974 C

ถาตองการแยก Cu(s) 15.885 กรม จะตองใชปรมาณไฟฟา=(15.885 กรม x 192,974 C)/ 63.546 กรม= 48,238.94 C

หาเวลาจากสตร Q=I t

t=Q/I = 48,238.94 C/ 25 A =1929.52 s

ตองใชเวลา 1930 วนาท หรอ 32 นาท 16 วนาท

55

ประโยชนของเซลลอเลกโทรไลต

1. การชบโลหะดวยไฟฟา2. การทาโลหะใหบรสทธ

หลกการของเซลลอเลกโทรไลต สามารถนาไปประยกตใชงานไดดงน

1. การชบโลหะดวยไฟฟา (Electroplating)หลกการทวไปส าหร บการช บโ ลหะด วยไ ฟฟ า

1.ใชโลหะทจะช บเ ป นแคโ ทด

2.จะชบดวยโลหะใดใชโลหะน นเ ป นแอโ นด

3.สารละลายอเลกโทรไลต ตองมไอออนของโลหะทเป นแอโ นด

4.ใชไฟฟากระแสตรง และควบคมศกดไฟฟ าของ เ ซลล ให เหมาะสม56

หลกการทวไปส าหร บการช บโ ลหะด วยไ ฟฟ า

1.ใชโลหะทจะช บเ ป นแคโ ทด

2.จะชบดวยโลหะใดใชโลหะน นเ ป นแอโ นด

3.สารละลายอเลกโทรไลต ตองมไอออนของโลหะทเป นแอโ นด

4.ใชไฟฟากระแสตรง และควบคมศกดไฟฟ าของ เ ซลล ให เหมาะสม

1. การชบโลหะดวยไฟฟา (Electroplating)Ex. การเคลอบเงนบนชอนสงกะส

Anode (+) = โลหะทจะใ ช เคล อบ (Ag)Cathode (-) = โลหะทถกเ คล อบ (ชอนสงกะส)Electrolyte ไอออนของโลหะทจะใ ช เคล อบ (Ag+)

ข วบว ก Anode OxidationAg (s) Ag+(aq) + e-Ag (s) Ag+(aq) + e-

ข วลบ CathodeReductionAg+ (aq)+ e- Ag (s)

สามารถใชกฏฟาราเดยเพอช วยใ นการควบค มปรมาณของสารเคลอบได

57

2.

การทาโลหะใหบรสทธด วย กระบวนการอเลกโทรลซส ใชหลกการเดยวกบกบการชบดวยไฟฟา แคโทด โลหะทไมบรสทธเปนแอโนด และใชสารละลายทมไอออนของโลหะ ด งกล าว เปนอเลกโทรไลต เชนการทาทองแดงใหบรสทธ

โดยทวๆไปเกน 99% ทเหล อจะเ ปนพว กส งเจ อปนต า ง ๆ เชน Fe Ag Au Pt และ Zn ถาใชกระบวนการอเลกโทรลซส99.95% ในอตสาหกรรมจะสรางเซลลดงน

58

โลหะ Cu + Trace of Fe, ZnAnode (+) = Cu

Cathode (-) = Cu บรสทธ

Electrolyte = CuSO4

Anode Oxidation

Cu Cu2+ + 2e- EoOx= -(+0.34) V

Fe Fe2+ + 2e- EoOx= -(-0.44) V

Zn Zn2+ + 2e- EoOx= -(-0.76) V

Anode Oxidation

Cu Cu2+ + 2e- EoOx= -(+0.34) V

Fe Fe2+ + 2e- EoOx= -(-0.44) V

Zn Zn2+ + 2e- EoOx= -(-0.76) V

Cathode Reduction

Cu2+ + 2e- Cu EoRed= (+0.34) V

Fe2+ + 2e- Fe EoRed= (-0.44) V

Zn2+ + 2e- Zn EoRed= (-0.76) V

59

Ex. การเตรยมโลหะโซเดยม จากเกลอข วลบ Cathode Reduction Na+(l) + e- Na (l) Na (s)

ข วบว ก Anode Oxidation 2Cl-(l) Cl2(g) + 2e-

รวม 2Na+(l) + 2Cl-(l) Cl2(g) +2Na (l) 2Na (s)

Down cell

การแยกธาตออกจากสารประกอบ

60

Anode : แกรไฟต

Cathode : Fe ทรงกระบอก

Electrolyte : NaCl (l)

1. จงดลสมการรดอกซ

1.1 ) Cu (s) + Ag+ (aq) Cu2++ (aq) + Ag (s)

1.2) Cd (s) + H+ + NO3- Cd2

+ (aq) + NO (g) + H2O

1.3) Cr2O72- + H+ + H2C2O4 Cr3+ + H2O + CO2

1.4) Cr2O72- + H2S Cr3+ + S ( in acid solution)

2.

การบาน.

2.Li Li+ Cd Cd2+ Cu Cu2+ Ag Ag+

2.1) สารใดเปนตวรดวซ

2.2) สารใดเปนตวออกซไดส

2.3) . โลหะใดบางทเก ดปฏ กรยาเ ม อนามาจ มในสาร ละลายท ม Cd2+

2.4) โลหะใดบางทเก ดแก ส H2 เมอน ามา จ มใ นสารละลาย HCl61

3. จงหา Eocell ของเซลล Zn(s)/Zn2+(1M)//Cu2+(1M)/Cu(s)

4. ปฏกรยา 2Ag + Zn2+ 2Ag+ + Zn เกดข นไ ด เองหร อไ ม

5. จงเขยนปฏกรยารดอกซ

Ni2+ + 2 e- Ni Eo = -0.25 VNa+ + e- Na Eo = -2.71 V

การบาน(ตอ)

3. จงหา Eocell ของเซลล Zn(s)/Zn2+(1M)//Cu2+(1M)/Cu(s)

4. ปฏกรยา 2Ag + Zn2+ 2Ag+ + Zn เกดข นไ ด เองหร อไ ม

5. จงเขยนปฏกรยารดอกซ

Ni2+ + 2 e- Ni Eo = -0.25 VNa+ + e- Na Eo = -2.71 V

62