Page 1
1
ไฟฟาเคมี (Electrochemistry)
ไฟฟาเคมี เปนการศึกษาเกีย่วกับปฏิกิริยาเคมีที่ทําใหเกดิกระแสไฟฟา กระแสไฟฟาทําใหเกิดปฏิกิริยาเคมีหากใชการถายเทอิเล็กตรอนเปนเกณฑแลว ปฏิกิริยาเคมีแบงเปน 2 ประเภท
1. ปฏิกิริยาที่มีการถายเทอิเล็กตรอน เรียกวาปฏิกิริยารีดอกซ (Redox Reaction) 2. ปฏิกิริยาที่ไมมีการถายเทอิเล็กตรอน เรียกวาปฏิกิริยานอนรีดอกซ (Non redox Reaction)
ปฏิกิริยารดีอกซ (Redox Reaction )
ปฏิกิริยารีดอกซ หมายถึง ปฏิกิริยาที่เกีย่วกับการถายเทอิเล็กตรอน
ตัวอยาง เมื่อนําแผนโลหะทองแดง (Cu) จุมลงในสารละลายของ AgNO3 พบวาที่แผนโลหะ Cu มีของแข็งสีขาวปนเทามาเกาะอยู และเมื่อนํามาเคาะจะพบวาโลหะ Cu เกิดการสึกกรอน สวนสีของสารละลาย AgNO3 ก็จะเปลี่ยนจากใสไมมีสีเปนสีฟา
การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นนี้อธิบายไดวาการที่โลหะทองแดงเกดิ การสึกกรอนเปนเพราะโลหะทองแดง(Cu) เกิดการเสียอิเล็กตรอนกลายเปน Cu2+ ซ่ึงมีสีฟาและเมื่อ Ag+ รับอิเล็กตรอนเขามาจะกลายเปน Ag (โลหะเงิน) มาเกาะอยูทีแ่ผนโลหะทองแดง
ปฏิกิริยาที่เกิดขึน้ เขยีนในรูปสมการไดดังนี ้ Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (oxidation reaction)
Ag+(aq) + e- Ag(s) (reduction reaction) electron ที่ถายเทตองเทากนั สมการเคมีที่เกิดขึ้นทีแ่ทจริงตองเปน
Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (oxidation reaction) 2Ag+(aq) +2 e- 2Ag(s) (reduction reaction) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในแตละสมการเรียกวา คร่ึงปฏิกิริยา ซ่ึงการเกิดปฏกิิริยาถายเท อิเล็กตรอน
จะเกดิขึ้นไดสมบูรณก็ตอเมือ่ตองนําครึ่งปฏิกิริยาทั้งสองมารวมกัน เขยีนเปนสมการไดดังนี ้ Cu(s) + Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s) (redox reduction)
Page 2
2
สรุปไดวาการเกิดปฏิกิริยารีดอกซจะตองประกอบไปดวย 1. สารที่ให อิเล็กตรอนเรียกวาตัวรีดิวซ (reduce agent) เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน
(Oxidation Reaction) 2. สารที่รับ อิเล็กตรอนเรียกวาตัวออกซิไดซ (oxidizing agent) เกิดปฏิกิริยารีดักชนั
(Reduction Reaction)
เซลลไฟฟาเคมี เนื่องจากการที่สารที่ให อิเล็กตรอนและสารที่รับ อิเล็กตรอนสัมผัสกันโดยตรง จะไมสามารถแสดงกระแสไฟฟาที่เกดิขึ้นได ดังนั้นหากตองการใหมีกระแสไฟฟาเกิดขึ้นตองมีการนําลวดตวันําไฟฟาตอเชื่อมเขาไประหวางขั้วไฟฟาของครึ่งเซลลที่ให อิเล็กตรอนและครึ่งเซลลที่รับ อิเล็กตรอนและพรอมกับโวลตมิเตอร และสะพานเกลือเชื่อมระหวางครึ่งเซลลทั้งสอง
e- e-
Cu สะพานเกลือ Ag
Ag+
Cu2+
เซลลไฟฟาเคม ี
ข้ัวไฟฟข้ัวไฟฟ
Cu Cu2+ + 2 e- Ag+ + e- Ag
คร่ึงเซลล Oxidation Reduction (half reaction) ขั้วไฟฟา ลบ (Anode) บวก (Cathode) (Electrode) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น Cu(s) + 2Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s) (Redox Reaction)
Page 3
3
แผนภาพเซลลไฟฟาเคมี
หากปฏิกิริยารีดอกซที่เกิดขึ้นเปน A(s) + B+(aq) A+(aq) + B(s) แผนภาพเซลลไฟฟาเคมี A(s) | A+(aq) | | B+(aq) | B(s)
คร่ึงเซลลออกซิเดชัน คร่ึงเซลลรีดักชัน หมายเหตุ 1. | | แทนสะพานเกลือ และแตละครึ่งเซลลใหใชเครื่องหมาย | คั่นระหวางสารตาง สถานะ
2. หากตองการระบุความเขมขนใหเขียนไวในวงเล็บแลววางหลังสารละลาย เชน Cu(s) | Cu2+(aq)(0.1M) | | Ag+(aq)(0.1M) | Ag(s)
3. หากสารในสถานะเดียวกันมีมากกวา 1 ชนิด ใหใชเครื่องจุลภาค ( , ) คั่น เชน Fe(s) | Fe2+(aq) , Fe3+(aq) | | Cu2+(aq) | Cu(s)
4. หากมีความดันเกีย่วของ ใหระบุความดนัในวงเล็บ แลววางหลังกาซนั้น
เชน Pt(s) | H2(atm) | H+(aq) | | Ag+(aq) | Ag(s)
Page 4
4
ศักยไฟฟามาตรฐาน (E°)
คร่ึงเซลลมาตรฐานที่ใชเปรยีบเทียบความสามารถในการใหรับ อิเล็กตรอน ของครึ่งเซลลตางๆ จะใชคร่ึงเซลลไฮโดรเจนเขียนแทนดวย Pt(s) | H2(1atm) | H+(1M) และกําหนดใหคาศกัยไฟฟาของไฮโดรเจนที่สภาวะมาตรฐาน(25°C,1atm) มีคาเทากับศูนยโวลต
Eo H2 = 0.00 Volt การวัดคาศักยไฟฟามาตรฐาน Eo ของเซลลไฟฟาใดๆ ทําไดโดยการนําครึ่งเซลลมาตรฐาน
ไฮโดรเจนตอกับครึ่งเซลลที่สนใจ และขัว้ไฟฟาจะตองจุมอยูในสารละลายเขมขน 1 Molarโดย E°Cell = E°Cathode - E° Anode
Page 5
5
ขอควรทราบเกี่ยวกับคา E°
1. ถามีการกลับสมการ คา E° จะเทาเดิม แตเครื่องหมายตรงกันขาม 2. ถามีการคูณสมการดวยตัวเลขใดๆ คา E° จะเทาเดิม ไมเปลี่ยนแปลง 3. คา E°reduction ยิ่งมาก แสดงวาสารนัน้ยิ่งรับ อิเล็กตรอน ไดดี (แนวโนมความเปนตัว
ออกซิไดซมากขึ้น) คา E°reduction ยิ่งต่ํา แสดงวาสารนัน้ยิ่งให อิเล็กตรอน ไดดี (แนวโนมความเปนตัว
รีดิวซ มากขึน้) โดยทั่วไปเมื่อกลาวถึง E° หากไมมีการระบุวาเปน E°reduction หรือ E°oxidation ใหถือวาเปน E°reduction ประโยชนของคา E°reduction
1. ใชเปรียบเทียบความสามารถในการเปนตัวรีดวิซและตัวออกซิไดซ Ä สารที่ให อิเล็กตรอน ไดดี E° ต่ํา , สารที่รับ อิเล็กตรอน ไดดี E° สูง
เชน Zn2+(aq) + 2 e- Zn(s) E° = - 0.76 Volt
Ag+(aq) + e- Ag(s) E° = 0.80 Volt พิจารณา Eo Zn2+ < Eo Ag+ ตัวรีดิวซ : Zn > Ag
ตัวออกซิไดซ : Ag+ > Zn2+
Page 6
6
2. ใชคํานวณคาศักยไฟฟาของเซลลและครึ่งเซลล
E°Cell = E°Cathode - E° Anode = E°ขั้วบวก - E°ขั้วลบ
= E°สูง - E°ต่ํา ประโยชนของคา E°Cell
E°Cell > 0 ปฏิกิริยาเกิดได E°Cell < 0 ปฏิกิริยาเกิดไมได (เกิดในทิศตรงขาม)
E°Cell = 0 ปฏิกิริยาเกิดไมไดแนนอน ตัวอยางการคํานวณศักยไฟฟาของครึ่งเซลล
EX. เมื่อนําครึ่งเซลลของ Ag | Ag+ ตอกับครึ่งเซลลของ Pt | H2 | H+ พบวาเข็มของโวลต
มิเตอรเบนหาขั้ว Ag และอานคาได 0.80 Volt ใหหาคา E° ของ Ag+ + e- Ag วิธีทํา จากการที่เข็มโวลตเบนเขาหาขัว้ Ag
แสดงวา Ag | Ag+ รับ e- Pt | H2 | H
+ ให e- จาก E°Cell = E°Cathode - E° Anode
0.80 = Eo Ag - Eo H2
0.80 = Eo Ag – 0 ดังนั้น Eo Ag = 0.80 Volt นั่นหมายความวา Ag+ + e- Ag E° = 0.80 Volt ตัวอยางการคาํนวณศักยไฟฟาของเซลล
EX. เมื่อนําครึ่งเซลลของ Fe | Fe2+ ตอเขากับ Ni | Ni2+ ใหหาคา E°Cell
กําหนด Fe2+ + 2 e- Fe E° = - 0.41 Volt Ni2+ + 2 e- Ni E° = - 0.23 Volt วิธีทํา E°Cell = E°สูง - E° ต่ํา E°Cell = E°Cathode - E° Anode
= - 0.23 - ( - 0.41) = 0.18 Volt
Page 7
7
อิเล็กโตรลิซิส (Electrolysis)
ปฏิกิริยาใดที่เกิดขึ้นไมได เชน Cu(s) + Zn+(aq) Cu2+(aq) + Zn(s) หากตองการทาํใหเกดิปฏิกิริยาก็สามารถทําไดโดยผานพลังงานไฟฟาจากภายนอก ซ่ึง
ปฏิกิริยาที่ไดจากการแยกสลายดวยดวยไฟฟานี้มีช่ือเรียกวา อิเล็กโตรลิซิส (Electrolysis) สวนประกอบที่สําคัญของ Electrolytic Cell 1. แหลงพลังงานไฟฟาจากภายนอก 2. ขั้วไฟฟา 3. สารละลายอิเล็กโตรไลท ลักษณะการเกิดปฏิกิริยาเปนดังนี ้
สารที่ให อิเล็กตรอน แกขัว้บวก เกิดปฏิกริิยา Oxidation ขั้วอาโนด - สารที่รับ อิเล็กตรอน จากขั้วลบ เกิดปฏิกิริยา Reduction ขั้วคาโทด +
การดุลสมการรีดอกซ ตองผานขั้นตอนการหาเลขออกซิเดชัน
1.โดยเลขออกซิเดชันจะหมายถึงตัวเลขแสดงคาประจุไฟฟาที่แทจริงหรือประจุไฟฟาสมมติของธาตุ เกณฑการกําหนดคาเลขออกซิเดชัน (O.N.)
1. ธาตุอิสระ (ไมรวมตัวกับธาตุอ่ืน มีคา O.N. = ศูนย) เชน Mg , O2 , O3 , S8 , P4
2. ธาตุหมู 1 ในสารประกอบ มีคา O.N. = 1 เชน LiNo3 , NaCl , KclO3
Page 8
8
3. ธาตุหมู 2 ในสารประกอบ มคีา O.N. = 2 เชน MgCl2 , CaCO3 , BeCl2
4. ธาตุไฮโดรเจน ในสารประกอบ มีคา O.N. = 1 เชน HCl , NH3 , H2O ยกเวน ในสารประกอบของโลหะ เชน NaH , AlH3 H มี O.N. = -1 5. ธาตุออกซิเจน ในสารประกอบ มีคา O.N. = - 2 เชน H2O , CO2 , C2O ยกเวน H2O2 , Na2 O , NaO2 , OF O มี O.N. = -2 6. ผลรวมของ O.N. ในสารประกอบมีคาเปนศูนย
เชน KmnO4 , MnO2 , Na2C2O4 7. ผลรวมของ O.N. ในไอออนเทากับจํานวนประจ ุ เชน MnO4- , Cr2O7
2-, Fe(CN)63-
Note ไอออนที่ควรจํา SO42- , CN- , CO3
2- , NO3- ไอออนที่มี O.N. เทากับจํานวนประจ ุ
ตัวอยางการหาเลขออกซิเดชันของธาต ุ
Mn2O7 2Mn + 7O = 0 Na3PO4 3Na + P + 4O = 0 2Mn + 7(-2) = 0 3(1) + P + 4(-2) = 0 2Mn = 14 3 + P – 8 = 0
Mn = +7 # P = +5 #
MnSO4 Mn + SO4 = 0 C2O42- 2C + 4O = -2
Mn + (-2) = 0 2C + 4(-2) = -2 Mn = +2 # 2C = 6
C = +3 # ข้ันตอนการดุลสมการรีดอกซ
1. หาธาตุที่มี O.N. เปลี่ยนไป ตอ 1 อะตอมของธาตุ 2. นําเลข O.N. ที่เปลี่ยนไปมาคูณไขว (เพื่อใหจํานวน อิเล็กตรอน ที่ถายเทเทากัน) 3. ดุลอะตอมของธาตุ (H กับ O ทําทีหลัง) 4. ถาทอนไดใหทอนเปนอัตราสวนอยางต่ําดวย
Page 9
9
ตัวอยางการดลุสมการรีดอกซ EX. FeCl3 + SnCl2 FeCl2 + SnCl4
1. หาเลข O.N. ที่เปลี่ยนไป ตอ 1 อะตอมของธาตุ FeCl3 + SnCl2 FeCl2 + SnCl4
+3 +2 +2 +4 รับ 1 e-
เสีย 2 e-
2. คูณไขวจํานวน e- ใหถายเทเทากนั 2FeCl3 + SnCl2 FeCl2 + SnCl4
3. ดุลสมการ 2FeCl3 + SnCl2 2FeCl2 + SnCl4
EX. KMnO4+ KNO2 + H2SO4 MnSO4 + H2O + KNO3 + K2SO4
1. หาเลข O.N. ที่เปลี่ยนไป ตอ 1 อะตอมของธาตุ KMnO4 + KNO2 + H2SO4 MnSO4 + H2O + KNO3 + K2SO4
+7 +3 +2 +5 รับ 5 e-
เสีย 2 e- 2. คูณไขวจํานวน e- ใหถายเทเทากนั 2KMnO4 + 5KNO2 + H2SO4 MnSO4 + H2O + KNO3 + K2SO4
3. ดุลสมการ 2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 2MnSO4 + 3H2O + 5KNO3 + K2SO4
การดุลสมการรีดอกซแบบครึ่งปฏิกิริยา
ทําตามขั้นตอนดังนี ้1. ในสารละลายกรด EX. Fe2+ + Cr2O7
2- Fe3+ + Cr3+
วิธีทํา 1. แยกครึ่งปฏิกิริยา Fe2+ Fe3+ Cr2O7
2- Cr3+
Page 10
10
2. ดุลอะตอม Fe2+ Fe3+ Cr2O7
2- 2Cr3+
เติม H2O ดานขาดออกซิเจนเทากับจํานวนที่ขาดออกซิเจน Cr2O7
2- 2Cr3+ + 7H2O เติม H+ ดานขาดไฮโดรเจนเทากับจํานวนที่ขาดไฮโดรเจน Cr2O7
2-- + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O 3. ดุลประจุ (โดยการเติม e- ) จาก Fe2+ Fe3+ + e- จํานวนประจเุทากันคือ 2 Cr2O7
2- + 14H+ + 6 e- 2Cr3+ + 7H2O จํานวนประจเุทากันคือ 6 4. ทําการถายเท e- ใหเทากัน (โดยการคูณไขวจํานวน อิเล็กตรอน) 6Fe2+ 6Fe3+ + 6 e- Cr2O7
2- + 14H+ + 6 e- 2Cr3+ + 7H2O 5. รวมสมการ
6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
2. ในสารละลายเบส EX. I- + MnO4
- ® I2 + MnO2
วิธีทํา แยกครึ่งปฏิกิริยา I- I2 ดุลอะตอม MnO4
- MnO2
2I- I2 ดุลประจุ Q อะตอมของ Mn ดุลแลว 2I- I2 + 2 e- ∴ ดุล O โดยเติม H2O ดานขาด Oเทากับ จํานวนที่ขาด O2
MnO44- MnO2 + 2H2O
เติม H+ ดานขาด H เทากับจาํนวนที่ขาด H MnO4
4- MnO2 + 2H2O Q สารละลายเบสหามมีกรด ดงันั้นตองเติม OH- ทั้ง 2 ดาน MnO4
- + 4H+ + 4OH- MnO2 + 2H2O + 4OH-
QH+ + OH- H2O ดงันั้นจะไดสมการเปน MnO4
- + 4H2O MnO2 + 2H2O + 4OH- หักลาง H2O
Page 11
11
MnO4- + 2H2O MnO2 + 4OH- ดุลประจ ุ
MnO4- + 2H2O + 3 e- MnO2 + 4OH-
ทํา e- ที่ถายเทใหเทากัน (โดยดุลจํานวน e- ) Oxidation 2I- I2 + 2 e- (1) Reduction MnO4
- + 2H2O + 3 e- MnO2 + 4OH- (2) (1) x 3 จะได 6I- 3I2 + 6 e- (2) x 2 จะได 2MnO4
- + 4H2O + 6 e- 2MnO2 + 8OH-
รวมสมการ 6I- + 2MnO4- + 4H2O 3I2 + 2MnO2 + 8OH-
ประโยชนของเซลลกัลวานิก
เซลลกัลวานิก อาจแบงออกไดเปน 2 ลักษณะ คือ 1. เซลลปฐมภูมิ (Primary Cell) เปนเซลลที่เมื่อใชแลวไมอาจทําใหกลับไปสูสภาพเดิมไดอีกโดยใชศักยไฟฟาภาพนอก เซลลชนิดนี ้ ไดแก ดาเนียลเซลล เซลลแหง และอ่ืนๆ 1.1 เซลลแหงหรือถานไฟฉาย เซลลแหงหรือบางทีเรียกวาเซลลเลอคลัง เซลล (leclanche cell) เปนเซลลที่ใชในไฟฉาย ซ่ึงมีลักษณะตามรปูที่ 1. กลองของเซลลทําดวยโลหะสังกะสีซ่ึงทําหนาที่เปนขั้วลบ สวนแทงคารบอนหรือแกไฟตทําหนาที่เปนขั้วบวก ภายในกลองระหวางสองอิเล็กโตรดบรรจุดวยของผสมของแอมโมเนยีมคลอไรด, แมงกานีส (IV) ออกไซด, ซิงค (II) คลอไรด, ผงคารบอนกับของแข็งอ่ืนที่ไมมีสวนในการทําปฏิกิริยาและทําใหชุมดวยน้ํา ระหวางของผสมเหลานี้กับกลองสังกะสีกั้นดวยกระดาษพรุน ตอนบนของเซลลผนึกดวยวัสดุที่สามารถรักษาความชื้นภายในเซลลใหคงที่ เมื่อเซลลทําหนาที่จายไฟฟา Zn จะใหอิเล็กตรอนเปน Zn2+ เปนเหตุใหกลองสังกะสีเปนขั้วลบ ปฏิกิริยาที่เกิดขึน้จึงเปนoxidation reaction Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- ที่ขั้วบวก แมงกานีส(IV) ออกไซด จะถูกรีดวิซ ซ่ึงมีปฏิกิริยาครึ่งเซลลเปนดังนี ้ 2MnO2(s) + 8NH4
+(aq) + 2e 2Mn3+(aq) + 4H2O + 8NH3(aq) เพราะฉะนัน้ปฏิกิริยาสุทธิที่ไดจากปฏกิิริยาครึ่งเซลลทั้งสอง จึงเปน Zn(s) +2MnO2(s) + 8NH+
4(aq) Zn2+(aq) + 2Mn3+(aq) + 8NH3(aq) +4H2O
Page 12
12
ถามีการจายกระแสไฟฟามากก็จะทําใหเกดิ NH3 ขึ้น ซ่ึงจะเขาทําปฏิกิริยากับ Zn2+ เกิดเปนไอออนเชงิซอน เปนตนวา [Zn(NH3)4]
2+ และ [ Zn(NH3)4 ]2+ และ [ Zn(NH3)2(H2O)2]
2+ เซลลแหงดังกลาวจะใหศักยไฟฟาประมาณ 1.5 โวลต การเกิดไอออนเชิงซอนชวยรักษาความเขมขนของ Zn2+ ไมใหสูงขึ้น จึงทําใหศักยไฟฟาของเซลลเกือบคงที่เปนเวลานานพอสมควร
สวนประกอบของเซลลแหง
1.2 เซลลสําหรับวัตถุประสงคพิเศษ
สําหรับเซลลวัตถุประสงคพิเศษ ที่จะกลาวถึง ไดแก เซลลรูบิน-มาลลอรี่(Rubin-Mallory cell) หรือบางทีเรียกเซลลเมอรคิวรี(Mercury cell) ซ่ึงมีขนาดเล็กและใชกนัมากในเครื่องฟงเสียงสําหรับคนหูพิการ หรือประโยชนอ่ืนๆ เซลลนี้ใชกลองสังกะสีเปนขั้วลบ แทงคารบอน(แกรไฟต เปนขั้วบวก คลายกับของเซลลแหง แตใชอิเล็กโตรไลตเปนของผสมที่ชุมและเหนียวของเมอรคิวรี (II) ออกไซด โซเดียมหรือโพแทสเซียมไฮ ดรอกไซด เซลลนี้จะใหศกัยไฟฟาประมาณ 1.3 โวลต และมีปฏิกิริยาเคมีดังนี ้
ขั้วลบ : Zn(s) + 2OH-(aq) Zn(OH)2(s) + 2e- ขั้วบวก : HgO(s) + 2H2O + 2e- Hg(l) + 2OH-(aq) ปฏิกิริยาสุทธิ : Zn(s) + HgO(s) + 2H2O Zn(OH)2(s) + Hg(l)
1.3 ดาเนียลเซลล (Daniel Cell) จากภาพ อิเล็กโตรดทองแดงประกอบดวยโลหะทองแดงบรรจุอยูในสารละลายอิ่มตัวของคอปเปอร(||) ซัลเฟต (A) สวนลางของเซลลมีผลึกของคอปเปอรซัลเฟตเพื่อใหสารละลายอิ่มตัว สารอิเล็กโตรดสังกะสีประกอบดวย โลหะสังกะส(ี B ) ลอยอยูในสารละลายสังกะสีซัลเฟตที่เจือจางไกลๆสวนบนของเซลล เหนือสารละลายคอปเปอรซัลเฟตซึ่งมีความหนาแนนมากกวา เมื่อโลหะสังกะสีและทองแดงเชื่อมตอกันดวยลวด อิเล็กตรอนจะไหลผานเสนลวดจากสังกะสีซ่ึงถูกออกซิไดซงายกวาไปยัง
Page 13
13
ทองแดงซึ่งออกซิไดซยากกวา สังกะสีจะถกูออกซไดซกลายเปน Zn2+ ในสารละลาย ในขณะเดยีวกนั Cu2+ จะถูกรีดวิซเปนทองแดง ดังสมการ Anode : Zn Zn2+ + 2e-
Cathode : Cu2+ + 2e- Cu ปฏิกิริยาสุทธิ Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu
ถาความเขมขนของ Zn2+ เพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก ( anode ) จะเลื่อนไปทางซาย เปนผลใหศักยไฟฟาของเซลลลดลง เซลลที่ใชหลักการเดียวกับดาเนียลเซลล แตใชแคดเมยีมและนิเกิลแทนสังกะสีและทองแดงใชกันมากในแบตเตอรี่ เพราะมีอายกุารใชงานที่นานกวา 2. เซลลทุติยภูมิSecondary Galvanic Cell
เปนเซลลที่สารซึ่งเปนสวนประกอบของเซลลสามารถทํากลับใหอยูในสภาพเดิมไดอีกโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานในทิศทางตรงกันขามกับการจายไฟ (Discharge) วิธีการนี้เปนการใหประจใุหมแกเซลล เซลลชนิดนี้ไดแก แบตเตอรี่ตะกัว่ และแบตเตอรี่แบบเอดิสันเปนตน 2.1 แบตเตอรีส่ะสมไฟฟาแบบตะกั่ว (lead storage battery) แบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบตะกัว่จะ ประกอบดวยอิเล็กโตรสองอันซึ่งเปนแผนตะกัว่ และแผนเลด(IV) ออกไซด มีกรดซัลฟุริกเจือจางเปนอิเล็กโตรไลต เมื่อมีการจายไฟฟา แผนตะกัว่จะถูกออกซิไดสเปนเลด (II) ไอออน และทําหนาทีเ่ปนขั้วลบ ดังรูป 2
Pb(s) Pb2+(aq) + 2e- เลด(II) ไอออนจะรวมตัวกบัชัลเฟตไอออนเปนเลด(II) ซัลเฟต Pb2+(aq) + SO4
2- (aq) PbSO4(s) รูปที่2 สวนประกอบของแบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบตะกั่ว เมื่อรวมสมการทั้งสองเขาดวยกัน ก็จะเปนปฏิกิริยาครึ่งเซลลที่มีการเกิดออกซิเดชนั
Pb(s) + SO42- (aq) PbSO4(s) + 2e-
อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วลบตามเสนลวดไปยังอิเล็กโตรดอีกอันหนึ่งที่เปนเลด(IV) ออกไซด ซ่ึงมีไฮโดรเจนไอออนจากอิเล็กโตรไลตและจะถูกรีดิวซืดังสมการ
PbO2(s) + 4H+(aq) + 2e- Pb2+(aq) + 2H2O และ Pb2+ จะรวมตัวกับ SO2-
4 ที่มีในสารละลาย Pb2+(aq) + SO2-
4(aq) PbSO4 (s) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่เลด (IV) ออกไซดจึงเปนปฏิกิริยาครึ่งเซลลที่มีการเกิดรีดักชนั PbO2(s) + 4H+(aq) + SO2-
4(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O
Page 14
14
การจายไฟฟาที่เกิดขึ้นจากทัง้สองอิเล็กโตรดอาจสรุปไดดังนี ้ ขั้วลบ : Pb(s) + SO2-
4(aq) PbSO4(s) + 2e-
ขั้วบวก : PbO2(s) + 4H+(aq) + SO2-4(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O
ปฏิกิริยาสุทธิ : Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2SO2-4(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O
ปฏิกิริยาของเชลลขางบนเปนแบบผันกลับได เพราะฉะนัน้ถาตองการใหผันกลับก็จําเปน
จะตองมีการอดัไฟฟา โดยการตอข้ัวบวกของเซลลกับขั้วบวกของเครื่องอัดไฟฟาและขั้วลบกับขั้วลบของเครื่องอัดไฟฟา ปฏิกิริยาสุทธิขางบนก็จะเปลีย่นทิศทางเปนจากขวาไปซาย ในลักษณะนีเ้ลด(II) ซัลเฟตที่ขั้วลบก็จะเปลีย่นเปนตะกัว่ สวนอีกขั้วหนึ่ง เลด(II) ซัลเฟตจะเปลี่ยนเปนเลด (IV) ออกไซด ตามปฏิกิริยาของแบตเตอรี่สะสมแบบตะกัว่จะเหน็วาในขณะที่มีการจายไฟฟา ความเขมขนของกรดจะลดลงเรื่อยๆ ตามปกติตอนที่มีศักย ไฟฟาเต็มที่จะมีความถวงจําเพาะ ประมาณ 1.25 ถึง 1.30 แลวแตอุณหภูมิในขณะนัน้ๆ ถาหากเมื่อใดมีความถวงจําเพาะต่าํกวา 1.20 ที่อุณหภูมิของหองก็ควรจะมีการอัดไฟฟาได แตละเซลลของแบตเตอรี่จะมศีักยไฟฟาประมาณ 2 โวลต เพราะฉะนัน้ถารถยนตใชแบตเตอรี ่12 โวลตก็จะตองประกอบดวย 6 เซลล
ภาพประกอบของแบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบตะกัว่
2.2 แบตเตอรีส่ะสมไฟฟาแบบเอดิสัน (Edison storage battery)
แบตเตอรี่แบบนี้ประกอบแผนเหล็กกลา บรรจุผงเหล็กละเอียดสวนนี้ทาํหนาที่เปนขัว้ลบ สําหรับขั้วบวกเปนแผนเหลก็กลาบรรจุดวยนิเกิล(IV) ออกไซดไฮเดรต สวนอิเล็กโตรไลตเปนสารละลายที่มีโพแทสเซียมไฮดรอกไซด 21% ผสมลิเที่ยมไฮดรอกไซดเล็กนอย เมื่อมีการจายไฟฟา ปฏิกิริยาครึ่งเซลลเกิดขึ้นดังนี้ ขั้วลบ : Fe(s) + 2OH-(aq) Fe(OH)2(s) + 2e- ขั้วบวก : NiO2(s) + 2H2O + 2e- Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq) ปฏิกิริยาสุทธิ : Fe(s) + NiO2(s) + 2H2O Fe(OH)2(s) + Ni(OH)2(S)
Page 15
15
เมื่อมีการอัดไฟฟา ปฏิกิริยาจะเปลี่ยนทิศทางจากขวาไปซาย ศักยไฟฟาของแตละเซลลของแบตเตอรี่แบบเอดิสัน มีคาประมาณ 1.4 โวลต ถาใชผงแคดเมียมมาแทนผงเหลก็จะเปนแบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบนกิเกลิ-แคดเมียม ซ่ึงมีศักยไฟฟาประมาณ 1.3 โวลต และมีปฏิกิริยาครึ่งเซลล พอสรุปไดดังนี ้ ขั้วลบ : Cd(s) + 2OH-(aq) Cd(OH)2(s) + 2e- ขั้วบวก: NiO2(s) + 2H2O + 2e- Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq) ปฏิกิริยาสุทธิ : Cd(s) + NiO2(s) + 2H2O Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s) แบตเตอรี่ทั้งสองแบบที่กลาวถึงในหัวขอที่ 2. มีขอดีคือ สามารถเก็บไวนานๆไดโดยไมเสื่อมคุณภาพ ใหศักยไฟฟาคอนขางคงที่ ใชกับอุปกรณวัดแสงในการถายรูป เครื่องคิดเลข และอ่ืนๆ
ประโยชนของเซลลอิเล็กโทรไลต
1. การชุบโลหะ หลักการทั่วไปสําหรับการชุบโลหะดวยไฟฟา 1. ใชโลหะทีจ่ะชุบเปนแคโทด 2. จะชุบดวยโลหะใดใชโลหะนัน้เปนแอโนด 3. สารละลายอิเล็กโทรไลต ตองมีไอออนของโลหะที่เปนแอโนด 4. ใชไฟฟากระแสตรง และควบคุมศักดิ์ไฟฟาของเซลลใหเหมาะสม
Page 16
16
2. การทําโลหะใหบริสุทธ์ิ การทําโลหะใหบริสุทธิ์ดวยกระบวนการอเิล็กโทรลิซิส ใชหลักการเดยีวกับกับการชบุดวยไฟฟา โดยใชโลหะที่บริสุทธิ์เปนแคโทด โลหะที่ไมบริสุทธิ์เปนแอโนด และใชสารละลายที่มีไอออนของโลหะดังกลาวเปนอิเล็กโทรไลต เชนการทําทองแดงใหบริสุทธิ์ โดยทัว่ๆไปจะไดทองแดงจากการถลุงแร ซ่ึงจะมีความบริสุทธิ์ไมเกิน 99% ที่เหลือจะเปนพวกส่ิงเจือปนตาง ๆ เชน Fe Ag Au Pt และ Zn ถาใชกระบวนการอเิล็กโทรลิซิสเขาชวย จะไดทองแดงที่มีความบริสุทธิ์ถึง 99.95% ในอุตสาหกรรมจะสรางเซลลดังนี ้
การผุกรอนของโลหะและการปองกัน การผุกรอนของโลหะที่พบบอยในชีวิตประจําวนัไดแก เหล็กเปนสนิม (สนิมเหล็กเปนออกไซดของเหล็ก Fe2O3.xH2O) ซ่ึงเกิดจากสาเหตุหลายประการ ตัวอยางเชน การที่อะตอมของโลหะที่ถูกออกซิไดสแลวรวมตวักบัออกซิเจนในอากาศเกิดเปนออกไซดของโลหะนั้น เชน สนิมเหล็ก(Fe2O3) สนิมทองแดง (CuO) หรือสนิมอลูมิเนียม(Al2O3) การเกิดสนมิมีกระบวนการซับซอนมากและมีลักษณะเฉพาะตัวดังนี ้ 1. การผุกรอนของโลหะ คือปฏิกิริยาเคมีทีเ่กิดระหวางโลหะกับภาวะแวดลอม 2. ภาวะแวดลอมที่ทําใหผุกรอน คือ ความชื้น และออกซิเจน(H2O, O2) หรือ H2O กับอากาศ 3. ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดในการผุกรอน เปนปฏิกิริยารีดอกซ 3.1 โลหะที่เกิดปฏิกิริยา Oxidation (ใหอิเล็กตรอน) 3.2 ภาวะแวดลอมเปนฝายรับอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิริยา Reduction 4. สมการแสดงปฏิกิริยาการผุกรอน (เกิดจากการทดลอง) โลหะ + ภาวะแวดลอม Ion ของโลหะ + เบส Fe (s) + H2O (l) + O2 (g) Fe2+ (aq) + OH- (aq) Fe2+ ทดสอบโดยใชสารละลาย K3Fe(CN)6 จะไดสีน้ําเงิน ถาสีน้ําเงินเขม แสดงวาม ีFe2+ มาก ถาจางมี Fe2+ นอย เบส(OH-) ทดสอบโดยสารละลายฟนอลฟทาลีน ไดสีชมพู
Page 17
17
5. ในการ Balance สมการ เมื่อเหล็กสัมผัสกับอากาศและความชื้น อะตอมของเหล็กจะเกดิoxidation reaction ดังสมการ Fe (s) Fe2+ (aq) + 2e ……………….(1) Oxidation น้ําและออกซิเจนรับอิเล็กตรอนจากเหล็ก ดังสมการ 2H2O (l) + O2 (g) + 4e 4OH- (aq) …………..…..(2) Reduction (1) * 2 + (2) ; 2Fe + 2H2O + O2 2Fe2+ + 4OH- ……………... (3) Redox
การปองกันสนิมเหล็ก 1. ทาสี ทาน้ํามัน การรมดํา และการเคลือบพลาสติก เปนการปองกันการถูกกับ O2 และความชืน้ ซ่ึงเปนการปองกันการเกิดสนิมของโลหะไดและเปนวิธีที่สะดวกและใหผลดีในการปองกันสนิม 2. โลหะบางชนิดมีสมบัติพิเศษ กลาวคือเมื่อทําปฏิกิริยากับออกซิเจนจะเกิดเปนออกไซดของโลหะเคลือบอยูบนผิวของโลหะนั้นและไมเกิดการผุกรอนอีกตอไป โลหะที่มีสมบัติดังกลาวไดแก อลูมิเนียม ดีบุก และสังกะสี การชุบ หรือเคลือบโดยโลหะที ่Oxide ของโลหะนั้นคงตัว สลายตัวยาก จะเปนผิวบางๆ คลุมผิวโลหะอีกท ีไดแก Cr (โครเมียม) และอลูมิเนียม(Al) เปนตน ดังนั้น Cr2O3.Al2O3 สลายตัวยาก เรียกชื่อวาวิธี อะโนไดซ (Anodize) หมายเหต ุ เหล็กกลาไมเกดิสนิม (stainless steel) เกิดจาก Fe ผสม Cr
3. การผุกรอนของโลหะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเชนเดยีวกับแอโนดในเซลลอิเล็กโทรไลต ดังนั้นถาไมตองการใหเกิดการผุกรอนจึงตองใหโลหะนั้นมีสภาวะเปนแคโทดหรอืคลายกับแคโทด โดยใชโลหะที่เสีย อิเล็กตรอนงายกวาเหล็กไปอยูกับเหล็ก ไดแก Fe ชุบ Zn สําหรับมุงหลังคา การฝงถุง Mg ตามทอ หรือการผูก Mg ตามโครงเรือ จะทาํให Fe ผุชาลง เนื่องจาก Zn & Mg เสีย e งายกวา Fe จะเสีย e แทน Fe เรียกชื่อวิธี แคโธดิก (Cathodic)
Page 18
18
4. การปองกนัการผุกรอนของโลหะในระบบหลอเยน็แบบปด
เครื่องยนตที่ใชในรถยนตหรือเครื่องมือผลิตกระแสไฟฟาจะใชระบบหลอเย็นแบบปดเพื่อรักษาอุณหภูมขิองเครื่องยนตไมใหสูงมากเกินไป สารหลอเย็นที่ใชคือน้ําซ่ึงมีออกซิเจนละลายอยู ถาเครื่องยนตมีโลหะผสมของอลูมิเนียม ออกซิเจนที่ละลายอยูในน้ําจะถูกใชในการสรางฟลมอลูมิเนียมออกไซด และฟลมนี้จะปองกันการผุกรอนเครื่องยนตได แตถาเครื่องยนตมีสวนประกอบที่เปนโลหะผสมของเหล็ก สวนประกอบของเครื่องยนตที่สัมผัสกับน้ําจะเกิดการผุกรอนได เนื่องจากออกไซดของเหล็กไมมีสมบัติในการเปนสารเคลือบผิว จึงตองเติมสารยับยั้งการกัดกรอนซ่ึงประกอบดวยสารประกอบของไนไตรตโบแรกซ สารนี้จะทําใหน้ําในระบบหลอเยน็มี pH สูงกวา 8.5 และทําใหโลหะที่เปนสวนประกอบของเครื่องยนตเกิดoxidation reactionไดยาก การผุกรอนของโลหะจึงลดลง นอกจากนี้การใชระบบปดมผีลดีอีกประการหนึ่งคือเปนการจํากัดปริมาณของออกซอเจนที่ละลายลงไปในน้ําจึงทําใหการผุกรอนของโลหะลดลง
ความกาวหนาทางเทคโนโลยท่ีีเก่ียวของกับเซลลไฟฟาเคมี
1. การทําอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ําทะเล อิเล็กโทรไดอะลิซิสเปนเซลลอิเล็กโทรไลตที่ใชแยกไอออนออกจากสารละลายโดยให
ไอออนเคลื่อนที่ผานเยื่อบางๆ ไปยังขั้วไฟฟาที่มีประจุตรงกันขามซึ่งอยูริมทั้งสองดานทําใหสารละลายสวนกลางมีความเขมขนไอออนลดลงจึงนําหลักการนี้ไปแยกไอออนของโซเดียมและคลอไรดไอออนออกจากน้ําทะเลเพื่อผลิตน้ําจืดจากทะเลได 2. เซลลเชื้อเพลิง (fuel cell)
อีกวิธีหนึ่งทีใ่ชเปลี่ยนพลังงานเคมีเปนพลังงานไฟฟาไดแก เซลลเชื้อเพลิง ซ่ึงมีไดหลายแบบ ขึ้นกับวาจะใชสารอะไรเปนเชื้อเพลิง เชน ออกซิเจน(จากอากาศ) และน้ํามันเชื้อเพลิง (fossil fuel) หรือไฮโดรเจนและไฮดราซีน (hydrazine,N2H4) แตเชื้อเพลิงที่ใชกันมากไดแก H2 และ O2 ซ่ึงใชกันในยาน
Page 19
19
อวกาศ เพราะเชื้อเพลิงที่ใชยงิจรวดเปนเชื้อเพลิงชนิดเดยีวกัน เซลลเชื้อเพลิงH2 - O2 แสดงในรูป ซ่ึงแบงไดเปนสามหอง คือหองทางซายเปนทางเขาของ H2 และหองทางขวาซึ่งเปนทางเขาของO2 และหองที่มีตําแหนงอยูกลางบรรจุอิเล็กโตรไลตซ่ึงเปนสารละลายเบส หองทั้งสามแยกออกจากกนัดวยขั้วไฟฟาที่มีลักษณะพรุน (porous electrode) ที่ทําดวยวัตถุตัวนํา เชน คารบอนผสมดวยแพลตินัมเล็กนอย เพื่อทาํหนาที่เปนตวัเรง เมื่อปอน H2 และ O2 เขาทางหองทางซายและทางขวาพรอมกัน แกสทั้งสองจะแพรผานไปยังขั้วไฟฟา และทําปฏิกิริยากับอิเล็กโตรไลตในหองกลาง ออกซิเจนถูกรีดวิซที่คาโทดเกิดเปน OH- ดังนี ้
Cathode : O2(g) + 2H2O(l) + 4e- 4OH-(aq) OH-จะซึมผานไปยังแอโนด และทําปฏิกิริยากับ H2 ดังนี้ Anode : H2(g) + 2OH-(aq) 2H2O(I)+2e- ปฏิกิริยาสุทธิของเซลลคือ การเปลี่ยน H2 (g)และ O2(g) เปนน้ํานั่นเอง 2H2(g) + O2(g) 2H2O(I) โดยปกตจิะใชอุณหภูมิสูงพอ เพื่อน้ําที่ไดสามารถระเหยออกจากเซลล และควบแนนเปนน้ําดื่มสําหรับมนษุยอวกาศ ถานําเชื้อเพลิงหลายๆเซลลมาตอเขาดวยกัน จะสามารถผลิตกระแสไฟฟาไดหลายๆกิโลวัตต เซลลเชื้อเพลิงมีขอดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับเซลลแหงหรือเซลลสะสมตะกั่ว เชนสามารถปอนเชื้อเพลิงตลอดเวลา จึงไดเกดิพลังงานขึ้นอยางไมมีที่ส้ินสุดและมีประสิทธิภาพสูงกวา นอกจากนี้แลว เซลลเชื้อเพลิงสามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีเปนพลังงานไฟฟาไดโดยตรง โดยไมมีผลิตผลพลอยไดที่ไมพึงปรารถนาอยางอื่น (การผลิตกระแสไฟฟาที่ใชกันในปจจุบนัทั่วไปตองใชเชื้อเพลิงในการตมน้ําใหไดไอเพื่อนําไปหมุนกังหนัที่ตอ) และยังมีประสิทธิภาพสูงกวา (เซลลเชื้อเพลิงอาจมปีระสิทธิภาพมากกวา 80% เปรียบเทียบกบัเครื่องกําเนิดไฟฟากังหันไอน้ํา ซ่ึงทั่วไปสูงเพียงประมาณ 40% เทานั้น)เซลลเชื้อเพลิงจึงอาจเปนแหลงพลังงานที่สําคัญในอนาคต
ภาพของเซลลเชื้อเพลิง