ใส่ความเห็นEnter your comment here... Show
Fill in your details below or click an icon to log in:
อีเมล (ต้องการ) (Address never made public) ชื่อ (ต้องการ) เว็บไซต์ You are commenting using your WordPress.com account. ( Log Out / เปลี่ยนแปลง ) You are commenting using your Twitter account. ( Log Out / เปลี่ยนแปลง ) You are commenting using your Facebook account. ( Log Out / เปลี่ยนแปลง ) ยกเลิก Connecting to %s Notify me of new comments via email. Notify me of new posts via email. Δ ประโยชน์ของเซลล์ไฟฟ้าเคมี by  1. การชุบโลหะ1.1. การทำทองแดงให้บริสุทธิ์ สิ่งเจือปนที่มักจะมีอยู่ในทองแดง ได้แก่ เหล็ก เงิน ทอง แพลตินัม และสังกะสี เมื่อต้องการทำทองแดงให้บริสุทธิ์ (GRedCat) ต้องจัดให้แท่งทองแดงที่ไม่บริสุทธิ์เป็นขั้วแอโนด (LAnOX) และแผ่นทองแดงที่บริสุทธิ์เป็นแคโทดจุ่มอยู่ในสารละลายผสมของคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตกับกรดซัลฟิวริก ครึ่งปฏิกิริยารีดักชันและค่า E๐2. การทำโลหะให้บริสุทธิ์2.1. การชุบช้อนโลหะด้วยเงิน หลักการของการชุบโลหะด้วยไฟฟ้าคือ ต้องให้โลหะชนิดหนึ่งมาเคลือบบนโลหะอีกชนิดหนึ่งที่อยู่เป็นแคโทด โดยจัดเซลล์ดังนี้ - ขั้วแอโนด: โลหะที่ใช้ชุบ - ขั้วแคโทด: โลหะที่ต้องการชุบ - สารละลายอิเล็กโทรไลต์: โลหะไอออนของโลหะที่เป็นแอโนด - ไฟฟ้า: กระแสตรง3. การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า3.1. การแยกสารละลาย NaCl เจือจางด้วยไฟฟ้า3.2. การแยก NaCl หลอมเหลวด้วยไฟฟ้า3.3. การแยกสารละลาย CuSO4 ด้วยไฟฟ้าโดยใช้ขั้วไฟฟ้าเฉื่อย3.4. การแยกสารละลาย CuSO4 ด้วยไฟฟ้าโดยใช้ ทองแดงเป็นขั้วไฟฟ้า4. Try MeisterTask!เซลล์ไฟฟ้าเคมีคืออะไร เซลล์ไฟฟ้าเคมี (Electrochemical cell) คือ เครื่องมือหรืออุปกรณ์ทางเคมีที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า หรือไฟฟ้าเป็นเคมี เซลล์ไฟฟ้าเคมีแบ่งออกเป็น 2 ประเภท 1. เซลล์กัลวานิก (Galvanic cell)คือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า เกิดจากสารเคมีทำปฏิกิริยากันในเซลล์ แล้วเกิดกระแสไฟฟ้า เช่น ถ่านไฟฉาย เซลล์แอลคาไลน์ เซลล์ปรอท เซลล์เงิน แบตเตอรี่ 2. เซลล์อิเล็กโทรไลต์ (Electrolytic cell)คือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี เกิดจาก การผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในเซลล์ แล้วเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น เช่น เซลล์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า การใช้ปฏิกิริยาเคมีทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าหรือการใช้กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีเกิดได้ในเซลล์ไฟฟ้าเคมี(Electrochemical cell) ส่วนประกอบของเซลล์ไฟฟ้าเคมี 1. ขั้วไฟฟ้า เป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน มี 2 ชนิด 1.1 ขั้วว่องไว (Active electrode)ได้แก่ ขั้วโลหะทั่วไป เช่น Zn Cu Pbขั้วพวกนี้บางโอกาสจะมีส่วนร่วมใน ปฏิกิริยาด้วย 1.2 ขั้วเฉื่อย (Inert electrode)คือ ขั้วที่ไม่มีส่วนร่วมใดๆ ในการเกิดปฏิกิริยาเคมี เช่น PtC(แกรไฟต์) ในเซลล์ไฟฟ้าปกติ จะประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้วเสมอ ดังนี้ 1.ขั้วแอโนด (Anode)คือ ขั้วที่เกิดออกซิเดชัน 2. ขั้วแคโทด(Cathode)คือ ขั้วที่เกิดรีดักชัน 2. สารละลายอิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) อิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte)เป็นวัสดุนำไฟฟ้าได้โดยการเคลื่อนที่ของไอออนที่เป็นองค์ประกอบ นำไฟฟ้าได้ เพราะมีไอออนเคลื่อนที่ไปมาอยู่ในสารละลายสารละลายอิเล็กโทรไลต์ มี 2 ชนิดคือ 1. สารประกอบไอออนิกหลอมเหลว เช่น สารละลาย NaCl 2. สารละลายอิเล็กโทรไลต์ เช่น สารละลายกรด เบส เกลือ การสร้างเซลล์ไฟฟ้าเคมีจะต้องมีบริเวณที่ขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์สัมผัสกันที่แตกต่างกันอย่างน้อย 2 ชนิด เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ง่ายที่สุด จะประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าอย่างน้อย 2 ขั้ว และอิเล็กโทรไลต์ 1 ชนิด ดังรูป ส่วนเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่มีอิเล็กโทรไลต์ต่างชนิดกันจะเชื่อมต่อกันด้วยสะพานเกลือ ดังรูป Return to contents ประเภทของเซลล์ไฟฟ้าเคมี (เซลล์กัลวานิก) เซลล์ไฟฟ้าเคมีแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ 1. เซลล์กัลวานิกหรือเซลล์โวลตอิก (galvanic cell or voltaic cell) คือเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่สารทำปฏิกิริยาเคมีกันแล้วให้กระแสไฟฟ้า 2. เซลล์อิเล็กโตรไลต์คือเซลล์ไฟฟ้าเคมีอีกประเภทหนึ่งต้องผ่านกระแสไฟฟ้าจากภายนอกเข้าไปทำให้สารเกิดปฏิกิริยาเคมี 1. เซลล์กัลวานิกหรือเซลล์โวลตอิก (galvanic cell or voltaic cell) คือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีซึ่งเป็นระบบที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยภายในเซลล์เกิดปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากสารหนึ่งไปอีกสารหนึ่ง(ปฏิกิริยารีดอกซ์)โดยที่สารตั้งต้นไม่ได้สัมผัสกันโดยตรง ทำให้การไหลของอิเล็กตรอนผ่านตัวนำอย่างต่อเนื่อง จึงเกิดกระแสไฟฟ้าในวงจร ตัวอย่างเช่น เซลล์ไฟฟ้าเคมี ถ่านไฟฉาย แบตเตอรี่รถยนต์ และเซลล์เชื้อเพลิงที่มนุษย์อวกาศใช้ในการเดินทางไปสำรวจดวงจันทร์ องค์ประกอบของเซลล์กัลวานิก เซลล์กัลวานิก ประกอบด้วยสองครึ่งเซลล์ แต่ละครึ่งเซลล์มักประกอบด้วยโลหะ ซึ่งเป็นขั้วไฟฟ้าจุ่มอยู่ในสารละลายของไอออนของโลหะนั้น ทำหน้าที่เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ แต่ไอออน สองชนิดกรณีนี้มักใช้ขั้วเฉี่อย เป็นขั้วไฟฟ้า เพราะอโลหะหรือไอออนไม่สามารถเป็นขั้วไฟฟ้าได้ เช่น มีก๊าซ H2อยู่ร่วมกับ H+หรือ ก๊าซ Cl2อยู่ร่วมกับ Sn4+โดยมี Pt เป็นขั้วไฟฟ้า เป็นต้น (ขั้วไฟฟ้าเฉื่อย ไม่มีส่วนในการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ เพียงแต่ทำหน้าที่ให้กระแสอิเล็กตรอนหรือ กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเท่านั้น) เซลล์กัลวานิก เป็นเซลล์ไฟฟ้าที่สามารถผลิตไฟฟ้าให้เกิดขึ้นได้เองด้วยปฏิกิริยารีดอกซ์ ในการศึกษาปฏิกิริยารีดอกซ์ เราใช้แผ่นโลหะจุ่มในสารละลายโดยตรง แต่ในเซลล็ไฟฟ้าเคมีแผ่นโลหะที่จะ เกิดปฏิกิริยากับสารละลาย จะอยู่ในภาชนะต่างกัน แล้วนำมาต่อเชื่อมกัน เชลล์ไฟฟ้าจึงประกอบด้วยภาชนะ 2 ใบ เรียกภาชนะแต่ละใบว่า ครึ่งเซลล์ (Half Cell) ครึ่งเซลล์คือ แผ่นโลหะที่จุ่มลงไปในสารละลายของไอออนของโลหะนั้นหรือก๊าซที่พ่นลงในสารละลาย ของก๊าซนั้น แผ่นโลหะหรือก๊าซที่จุ่มอยู่ในสารละลายเรียกว่า ขั้วไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้าจะมี 3 ชนิด 1. ขั้วไฟฟ้าโลหะ คือ แผ่นโลหะที่จุ่มในสารละลายของไอออนของโลหะนั้น ขั้วโลหะจะทำหน้าที่ เกิดปฏิกิริยาและนำอิเล็กตรอน 2. ขั้วไฟฟ้าก๊าซ คือ ก๊าซที่พ่นลงไปในสารละลาย ก๊าซจะทำหน้าที่ในการเกิดปฏิกิริยา แต่นำอิเล็กตรอนไม่ได้ จึงต้องใช้ร่วมกับขั้วไฟฟ้าเฉื่อย 3. ขั้วไฟฟ้าเฉื่อย เป็นขั้วไฟฟ้าที่ช่วยนำอิเล็กตรอน แต่ไม่มีส่วนร่วมในการเกิดปฏิกิริยาต้องใช้ร่วมกับขั้วไฟฟ้าก๊าซ ขั้วไฟฟ้าเฉื่อย เมื่อนำครึ่งเซลล์ที่ต่างกัน 2 ครึ่งเซลล์ มาต่อเชื่อมเข้าด้วยกัน โดยเชื่อมวงจรภายในด้วยสะพานไอออนและเชื่อมวงจรภายนอกด้วยตัวต้านทานจะเกิดการไหลของอิเล็กตรอนขึ้น อิเล็กตรอนไหลไป ทางใดเข็มโวลต์มิเตอร์จะเบนไปในทิศทางนั้น เซลล์กัลวานิกประกอบด้วยสองครึ่งเซลล์ โดยแต่ละครึ่งเซลล์จะประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าที่จุ่มลงไปในสารละลาย แท่งสังกะสีและแท่งทองแดงในเซลล์เป็นขั้วไฟฟ้าซึ่งเรียกว่า อิเล็กโทรด (electrode) ขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เรียกว่า ขั้วแอโนด (anode) และขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน เรียกว่า ขั้วแคโทด (cathode) ที่มา :http://th.wikipedia.org/wiki/เซลล์กัลวานิก เซลล์กัลวานิกแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด 1.เซลล์ปฐมภูมิ (primary cell)เมื่อปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นและดำเนินไปแล้ว ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์และเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับไม่ได้หรือนำมาอัดไฟใหม่ไม่ได้คือ เซลล์กัลวานิกชนิดที่เมื่อปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นและดำเนินไปแล้ว ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์และทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ อีกไม่ได้ หรือนำมาอัดไฟใหม่ไม่ได้ เซลล์ปฐมภูมิได้แก่
(ขั้วลบ) ส่วนแท่งคาร์บอนหรือแกรไฟต์อยู่ตรงกลางทำหน้าที่เป็นขั้วแคโทด (ขั้วบวก) ระหว่างอิเล็กโตรดทั้งสองบรรจุด้วยของผสมชื้นของ NH4Cl , MnO2, ZnCl2ผงคาร์บอน ตอนบนของเซลล์นั้นผนึกด้วยวัสดุที่สามารถรักษาความชื้นภายในเซลล์ให้คงที่
2.เซลล์ทุติยภูมิ (secondary cell)คือ เซลล์กัลวานิกชนิดที่เมื่อปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นและดำเนินไปแล้ว ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์และทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ หรือนำมาอัดไฟใหม่ได้ เซลล์ทุติยภูมิได้แก่
การเขียนแผนภาพของเซลล์กัลวานิกมีหลักดังนี้ 1. เขียนครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันไว้ทางซ้ายมือ โดยเขียนขั้วไฟฟ้าไว้ทางซ้ายสุด ตามด้วยไอออนในสารละลาย และใช้เส้นเดี่ยว / ขีดคั่นระหว่างขั้วไฟฟ้ากับไอออนในสารละลาย เช่น Zn(s)/Zn2+(aq) 2. เขียนครึ่งเซลล์เซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชันไว้ทางขวามือ โดยเขียนไอออนในสารละลายก่อน ตามด้วยขั้วไฟฟ้าไว้ทางขวาสุด และใช้เส้นเดี่ยว / ขีดคั่นระหว่างขั้วไฟฟ้ากับไอออนในสารละลาย เช่น Cu2+(aq)/Cu(s) 3. สำหรับครึ่งเซลล์ที่ประกอบด้วยโลหะกับแก๊ส ใช้เส้นเดี่ยว / ขีดคั่นระหว่างขั้วไฟฟ้ากับแก๊สและระหว่างไอออนในสารละลาย เช่น Pt(s)/H2(g,1 atm)/H+(aq) 4. เขียนเส้นคู่ขนาน // แทนสะพานไอออนกั้นระหว่างครึ่งเซลล์ทั้งสอง เช่น Zn(s)/Zn2+(aq)// Cu2+(aq)/Cu(s) Pt(s)/H2(g,1 atm)/H+(1 mol/dm3)// Cu2+(1 mol/dm3)/Cu(s) 5. สำหรับครึ่งเซลล์ที่มีสารสถานะเดียวกันมากกว่าหนึ่งชนิด ให้ใช้เครื่องหมายจุลภาคคั่นระหว่างไอออนทั้งสอง เช่น Fe(s)/Fe2+(aq),Fe3+(aq)// Cu2+(aq)/Cu(s) การสร้างเซลล์กัลวานิก นำโลหะต่างชนิดกันจุ่มในภาชนะทีบรรจุสารละลายที่มีอิออนของโลหะนั้นเช่น โลหะ A จุ่มใน A2+และโลหะ B จุ่มใน B2+เป็นต้น และภาชนะ 2 ใบนี้มีสะพานอิออนเชื่อมถึงกัน แล้วต่อลวดตัวนำจากขั้วทั้งสองเข้ากับโวลต์มิเตอร์ (volt meter) ซึ่งมีเข็มแสดงทิศทางการไหลของอิเล็กตรอน พบว่าเข็มกระดิกแสดงว่าอิเล็กตรอนไหล จากรูปพบว่า เข็มของโวลต์มิเตอร์เบนจาก A ไปยัง B แสดงว่าอิเล็กตรอนไหลจาก A ไปยัง B เราต้องการทราบสิ่งต่อไปนี้ 1. ขั้วบวกและขั้วลบ 1.1 ขั้วบวก คือ ขั้วที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นน้อยกว่า หรือขั้ว e ไหลเข้า ได้แก่ ขั้ว B 1.2 ขั้วลบ คือ ขั้วที่มีอิเล็กตรอนหนาแน่นมากกว่า หรือขั้ว e ไหลออก ได้แก่ ขั้ว A 2. ขั้วแอโนด (Anode) และขั้วแคโทด (Cathode) 2.1 แอโนด คือขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ได้แก่ ขั้ว A เพราะให้ e 2.2 แคโทด คือขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน ได้แก่ ขั้ว B เพราะรับ e 3. แผนภาพเซลล์กัลวานิก เขียนได้ดังนี้ 3.1 เขียนครึ่งเซลล์แอโนดไว้ทางซ้าย ครึ่งเซลล์แคโทดไว้ทางขวา คั่นกลางด้วยสะพานอิออน ซึ่งใช้เครื่องหมาย || หรือ // 3.2 สำหรับครึ่งเซลล์แอโนดและแคโทดเขียนอิเล็กโทรดไว้ซ้ายสุดและขวาสุด ภายในครึ่งเซลล์ถ้าต่างวัฏภาคกันใช้เครื่องหมาย / คั่น 3.3 สารละลายที่ทราบความเข้มข้นให้เขียนระบุไว้ในวงเล็บ 3.4 ถ้าครึ่งเซลล์ที่เป็นก๊าซให้ระบุความดันลงในวงเล็บด้วย 4. ปฏิกิริยาที่เกิดในเซลล์ไฟฟ้าเคมี ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ 4.1 แอโนด เกิดปฏิกิริยา Oxidation 4.2 แคโทด เกิดปฏิกิริยา Reduction ปฏิกิริยาทั้งเซลล์ เป็นปฏิกิริยา Redox 5. สมการแสดงปฏิกิริยา สมการแสดงปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ แอโนด (Oxidation) A ----> A2+ + 2e ........ (1) แคโทด (Reduction) B2++ 2e ------> B ........ (2) สมการแสดงทั้งเซลล์เป็น Redox (ทำให้ e หมดไป) (1) + (2) 6. สารใดให้อิเล็กตรอนง่ายกว่าหรือเป็นตัวรีดิวซ์ดีกว่า โลหะ A > โลหะ B 7. สารใดเป็นตัวชิงอิเล็กตรอนดีกว่าหรือเป็นตัวออกซิไดซ์ดีกว่า B2+> A2+ 8. ศักย์ไฟฟ้าใครสูงกว่าศักย์ไฟฟ้าที่ขั้วบวกสูงกว่าศักย์ไฟฟ้าที่ขั้วลบคือ B > A ดังนั้น กระแสจะไหลจาก B ไปยัง A สวนทางกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ความต่างศักย์ = ศักย์ที่ขั้วบวก - ศักย์ที่ขั้วลบ 9. เข็มจะไม่กระดิกในกรณีที่ศักย์ทั้งสองขั้วเท่ากัน Return to contents ประเภทของเซลล์ไฟฟ้าเคมี (เซลล์อิเล็กโทรไลต์) เซลล์อิเล็กโทรไลต์คือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ใช้พลังงานไฟฟ้าให้เปลี่ยนเป็นพลังงานเคมี หรือเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น นั่นเองปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นก็จะเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ ซึ่งเซลล์ประเภทนี้จะมีค่า E0cell ติดลบ เซลล์อิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยภาชนะที่บรรจุสารเคมีที่จะเกิดปฏิกิริยา และมีขั้วไฟฟ้าซึ่งต่ออยู่กับแหล่งไฟฟ้ากระแสตรง โดยทั่วไปมักเป็นขั้วเฉื่อยที่ไม่มีส่วนร่วมกับปฏิกิริยา ดังรูป จากรูปใช้สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ขณะที่ผ่านไฟฟ้ากระแสตรงเข้าไป ไอออนบวก (Cation) จะเคลื่อนที่ไปยังขั้วลบ (แคโทด) และไอออนลบ (Anion) จะเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวก (แอโนด) เพื่อให้อิเล็กตรอนถูกออกซิไดส์ ส่วนประกอบของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ 1. ขั้วไฟฟ้า(Electrode)เป็นโลหะหรือแกรไฟต์ที่นำไฟฟ้าได้ดี โดยทั่วไปมักจะใช้ขั้วเฉื่อย เช่น ขั้ว Pt สามารถจำแนกขั้วไฟฟ้าได้ดังนี้ จำแนกตามการเกิดปฏิกิริยา 1.1 ขั้วแอโนด (Anode)เป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน 1.2 ขั้วแคโทด (Cathode)เป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน จำแนกขั้วตามการต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า 1.1 ขั้วบวกเป็นขั้วที่ต่อเข้ากับขั้วบวกของแบตเตอรี่หรือแหล่งกำเนิดไฟฟ้า 1.2 ขั้วลบเป็นขั้วที่ต่อเข้ากับขั้วลบของแบตเตอรี่หรือแหล่งกำเนิดไฟฟ้า 2. สารอิเล็กโทรไลต์คือ สารที่มีสถานะของเหลวประกอบด้วยไอออนที่เคลื่อนที่ และนำไฟฟ้าได้ 2.1 สารประกอบไอออนิกหลอมเหลวเช่น สารละลายโซเดียมคลอไรด์ที่หลอมเหลว 2.2 สารละลายอิเล็กโทรไลต์เช่น สารละลายกรด เบส เกลือ หลักการของเซลล์อิเล็กโทรไลต์สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้มากมาย ดังต่อไปนี้ 1.การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า 2.การทำโลหะให้บริสุทธิ์ การทำโลหะให้บริสุทธิ์ เป็นขั้นตอนหนึ่งในกระบวนการถลุงแร่ โดยทั่วไปโลหะที่ถลุงได้จากแร่มักจะมีมลทินปนอยู่เล็กน้อย เพื่อทำให้โลหะนี้บริสุทธิ์มากขึ้นจะใช้กรบวนการอิเล็กโทรลิซิส ที่เรียกว่า Electrorefining ซึ่งมีหลักการดังนี้ 1) นำโลหะที่จะทำให้บริสุทธิ์ต่อเข้ากับขั้วแอโนด (ขั้วบวก) 2) ใช้โลหะบริสุทธิ์อีกแท่งหนึ่งต่อเข้ากับขั้วแคโทด (ขั้วลบ) 3) ในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ต้องมีไอออนบวกของโลหะที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์ประกอบอยู่ด้วย 4) ต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง และจัดให้มีศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่เหมาะสม 3.การชุบโลหะ การชุบโลหะ เป็นการทำให้โลหะมีความคงทนและสวยงาม โดยอาศัยหลักการของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ โดยกระบวนการชุบโลหะจะใช้กระแสไฟฟ้าผ่านเข้าที่แคโทด ทำให้ไอออนของโลหะในสารละลายจะรับอิเล็กตรอน เกิดเป็นอะตอมของโลหะเกาะอยู่ที่แคโทดนั้น ขณะเดียวกันอะตอมของโลหะที่เป็นแอโนดจะเสียอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนละลายในสารละลาย เพื่อชดเชยไอออนที่เสียไป ในการชุบโลหะไฟฟ้าจึงพบว่า โลหะที่เป็นแอโนดจะกร่อนไป และที่แคโทดจะมีโลหะมาเกาะเพิ่มขึ้น ดังนั้น จึงสรุปได้ว่า ในการชุบโลหะด้วยไฟฟ้านั้น ถ้าต้องการชุบด้วยโลหะใดให้จัดโลหะนั้นเป็นแอโนด สารละลายอิเล็กดทรไลต์ที่ใช้ต้องมีไอออนของโลหะชนิดเดียวกับโลหะที่เป็นแอโนด เปรียบเทียบเซลล์กัลวานิกกับเซลล์อิเล็กโทรไลต์
Return to contents ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี สามารถนำความรู้เรื่องไฟฟ้าเคมีทั้งเซลล์กัลวานิกและเซลล์อิเล็กโทรไลต์ไปประยุกต์ใช้เพื่อพัฒนาเครื่องมือเครื่องใช้และวัสดุอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับโลหะและสารละลายอิเล็กโทรไลต์ได้ดังตัวอย่างต่อไปนี้ 1. แบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง แบบเตอรี่อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง (Solid electrolyte battery) เป็นเซลล์สะสมไฟฟ้าที่ใช้โลหะลิเทียมเป็นแอโนดและเทเนียมไดซัลไฟด์ (TiS2) เป็นแคโทด โดยอิเล็กโทรไลต์เป็นสารพวกพอลิเมอร์จึงเรียกว่าอิเล็กโทรไลต์แข็งซึ่งมีสมบัติยอมให้ไอออนผ่านได้ดี แต่ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่าน 1.1โลหะลิเทียมให้อิเล็กตรอนแล้วเปลี่ยนเป็นLi+ผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทด ซึ่งมีTiS2ทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนกลายเป็นTiS2–จากนั้นLi+กับTiS2–จะรวมกันเป็นLiTiS2อิเล็กโทรไลต์แข็งจะเป็นฉนวนต่ออิเล็กตรอน จึงทำให้เซลล์ไฟฟ้านี้ใช้งานได้โดยไม่ลัดวงจร ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้
แอโนด:Li(s) →Li+(ในอิเล็กโทรไลต์แข็ง) + e– แคโทด:TiS2(s) + e–→TiS2–(s) ปฏิกิริยารวม:Li(s) + TiS2(s) →Li+(ในอิเล็กโทรไลต์แข็ง) + TiS2–(s) เซลล์ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 3Vและเป็นเซลล์ทุติยภูมิ ปัจจุบันมีการนำไปใช้กับรถยนต์ซึ่งมีข้อดีคือไม่ต้องเติมน้ำกลั่น แต่ราคายังแพงเมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว 1.2 แบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์แข็งอีกชนิดหนึ่งใช้โลหะลิเทียมเป็นแอโนด และใช้โลหะออกไซด์ เช่นMnO2หรือV6O13เป็นแคโทดส่วนอิเล็กโทรไลต์เป็นพอลิเมอร์ที่ยอมให้Li+ผ่านได้ แต่อิเล็กตรอนผ่านไม่ได้ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เป็นดังนี้ แอโนด:Li(s) → Li+(ในอิเล็กโทรไลต์แข็ง)+e แคโทด:MnO2(s)+Li++e–→LiMnO2(s) ปฏิกิริยารวม:Li(s)+MnO2(s)→LiMnO2(s) เซลล์ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 3Vและเป็นเซลล์ทุติยภูมิ ออกแบบให้มีทั้งขนาดเล็กและใหญ่ เซลล์เล็กเท่าเม็ดกระดุมใช้กับเครื่องคิดเลขขนาดเล็ก นาฬิกา กล้องถ่ายรูป เซลล์ขนาดใหญ่ใช้กับเครื่องคอมพิวเตอร์ 2. แบตเตอรี่อากาศ รถยนต์ไฟฟ้าได้มีการพัฒนาขึ้นเพื่อให้สามารถเก็บสะสมปริมาณไฟฟ้าได้มากขึ้น แบตเตอรีอากาศเป็นพัฒนาการอย่างหนึ่งซึ่งใช้ออกซิเจนในอากาศเป็นตัวออกซิไดส์ใช้โลหะ เช่นZnหรือAlเป็นตัวรีดิวซ์และอาจใช้สารละลายNaOHเข้มข้นเป็นอิเล็กโทรไลต์ 2.1แบตเตอรี่อะลูมิเนียม–อากาศ ใช้Alเป็นแอโนด เมื่อต่อเซลล์โลหะAlจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้Al3+แต่ในสารละลายมีความเข้มข้นของOH–มาก จึงเกิดไอออนเชิงซ้อนของ[Al(OH)4]–ส่วนที่แคโทดซึ่งแท่งคาร์บอนเป็นขั้วไฟฟ้า แก๊สออกซิเจนและน้ำเกิดปฏิกิริยารีดักชันได้OH–ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เป็นดังนี้ แอโนด:4 {Al(s)+4OH–(aq)→[Al(OH)4]–(aq) +3e– แคโทด:3 {O2(g)+2H2O(l)+4e–→4OH–(aq) ปฏิกิริยารวม:4Al(s)+O2(s)+6H2O(l)+4OH–(aq) →[Al(OH)4]–(aq) จะเปลี่ยนไปเป็นAl(OH)3เคลือบอะลูมิเนียม ดังนั้นหลังจากใช้งานในรถยนต์ได้ระยะทางประมาณ200 กิโลเมตรต้องมีการกำจัดAl(OH)3เนื่องจากAl(OH)3เป็นฉนวนไฟฟ้า 2.2แบตเตอรี่สังกะสี–อากาศ ใช้สังกะสีเป็นแอโนด ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เป็นดังนี้ แอโนด:Zn(s)→Zn2+(aq)+2e– แคโทด:O2(g)+2e–→O2–(g) ปฏิกิริยารวม:Zn(s)+O2(g)→ZnO(s) เมื่อนำแบตเตอรีไปประจุไฟ แก๊สออกซิเจนจะถูกปล่อยออกจากแบตเตอรี ส่วนZnOจะถูกรีดิวซ์ไปเป็นสังกะสี 3.การทำอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ำทะเล อิเล็กโทรไดอะลิซิสเป็นเซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้แยกไอออนจากสารละลายโดยให้ไอออนเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนไอออน ซึ่งเป็นเยื่อบาง ๆ ไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีขั้วตรงกันข้าม สารละลายจึงมีความเข้มข้นลดลง ใช้หลักการนี้ในการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล เมื่อผ่านน้ำทะเลเข้าทางช่องABและCไอออนบวกในน้ำทะเลที่ผ่านเข้าทางช่องBเช่นNa+หรือMg2+จะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนไอออนบวกเข้าหาขั้วลบ ส่วนไอออนลบ เช่นCl–SO42–จะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนไอออนลบเข้าหาขั้วบวก ดังนั้นน้ำที่ไหลออกทางช่องBจึงมีไอออนน้อยลง และถ้าไม่มีNa+ไม่มี น้ำที่ผ่านออกทางช่องBจึงเป็นน้ำจืด อุปกรณ์ทำอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ำทะเล
Return to contents ตัวอย่างเซลล์กัลวานิก ประเภทเซลล์ปฐมภูมิ เซลล์ปฐมภูมิมีหลายชนิด ได้แก่ 1. เซลล์แห้ง (Dry Cell) หรือเซลล์เลอคลังเช (LeClanche Cell) เซลล์ไฟฟ้าชนิดนี้ถูกเรียกว่า เซลล์แห้ง เพราะไม่ได้ใช้ของเหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์ เป็นเซลล์ที่ใช้ในไฟฉาย หรือใช้ในประโยชน์อื่น ๆ เช่น ในวิทยุ เครื่องคิดเลข ฯลฯ ซึ่งมีลักษณะตามรูป ส่วนประกอบของเซลล์แห้ง กล่องของเซลล์ทำด้วยโลหะสังกะสีซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วแอโนด
(ขั้วลบ) ส่วนแท่งคาร์บอนหรือแกรไฟต์อยู่ตรงกลางทำหน้าที่เป็นขั้วแคโทด (ขั้วบวก) ระหว่างอิเล็กโตรดทั้งสองบรรจุด้วยของผสมชื้นของแอมโมเนียมคลอไรด์ (NH4Cl) แมงกานีส (IV) ออกไซด์ (MnO2) ซิงค์คลอไรด์ (ZnCl2) ผงคาร์บอน ตอนบนของเซลล์ผนึกด้วยวัสดุที่สามารถรักษาความชื้นภายในเซลล์ให้คงที่ มีปฏิกิริยาเกิดขึ้นดังนี้ Zn(s) ที่ขั้วแคโทด (C-ขั้วบวก) MnO2จะถูกรีดิวซ์ ไปเป็น Mn2O3 2MnO2(s) + 2NH4++(aq) + 2e- ดังนั้นปฏิกิริยารวมจึงเป็น Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) แก๊ส NH3ที่เกิดขึ้นจะเข้าทำปฏิกิริยากับ Zn2+เกิดเป็นไอออนเชิงซ้อนของ [Zn(NH3)4]2+และ [Zn(NH3)2(H2O)2]2+การเกิดไอออนเชิงซ้อนนี้จะช่วยรักษาความเข้มข้นของ Zn2+ไม่ให้สูงขึ้น จึงทำให้ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เกือบคงที่เป็นเวลานานพอสมควร จากปฏิกิริยารวมจะสังเกตว่ามีน้ำเป็นผลิตภัณฑ์ด้วย ดังนั้นเซลล์ที่เสื่อมสภาพจึงบวมและมีน้ำไหลออกมา และเซลล์แห้งนี้จะให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ 2.เซลล์แอลคาไลน์ (Alkaline Cell) เซลล์แอลคาไลน์มีส่วนประกอบของเซลล์เหมือนกับเซลล์เลอคลังเช แต่มีสิ่งที่แตกต่างกันคือเซลล์แอลคาไลน์ใช้เบสซึ่งได้แก่โพแตสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) เป็นอิเล็กโทรไลต์แทนแอมโมเนียมคลอไรด์ (NH4Cl) และเนื่องจากใช้สารละลายเบสนี่เองเซลล์ชนิดนี้จึงถูกเรียกว่าเซลล์แอลคาไลน์ ที่ขั้วแอโนด (Zn-ขั้วลบ) Zn ถูกออกซิไดซ์ Zn(s) + 2OH-(aq) ที่ขั้วแคโทด (C-ขั้วบวก) MnO2จะถูกรีดิวซ์ ไปเป็น Mn2O3 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e- สมการรวม Zn(s) + 2MnO2(s) เซลล์นี้จะให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ แต่ให้กระแสไฟฟ้าได้มากกว่าและนานกว่าเซลล์แห้ง เพราะ OH-ที่เกิดขึ้นที่ขั้วคาร์บอนสามารถนำกลับไปใช้ที่ขั้วสังกะสีได้ 3. เซลล์ปรอท (Mercury Cell) มีหลักการเช่นเดียวกับเซลล์แอลคาไลน์ แต่ใช้เมอร์คิวรี (II) ออกไซด์ (HgO) แทนแมงกานีส (IV) ออกไซด์ (MnO2) เป็นเซลล์ที่มีขนาดเล็กใช้กันมากในเครื่องฟังเสียงสำหรับคนหูพิการ หรือใช้ในอุปกรณ์อื่น เช่น นาฬิกาข้อมือ เครื่องคิดเลข เซลล์นี้จะให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.3 โวลต์ ให้กระแสไฟฟ้าต่ำ แต่สามารถให้ค่าศักย์ไฟฟ้าคงที่ตลอดอายุการใช้งาน มีปฏิกิริยาเคมีดังนี้ ที่ขั้วแอโนด Zn(s) + 2OH-(aq) ที่ขั้วแคโทด HgO(s) + H2O(l) + 2e- ปฏิกิริยารวม Zn(s) + HgO(s) ส่วนประกอบของเซลล์ปรอท * ขั้ว+ และ - นี้เป็นขั้วของเซลล์ ซึ่งแสดงทิศทางของกระแสไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิง หลักการทำงาน องค์ประกอบสำคัญของเซลล์เชื้อเพลิงได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตรอน หลักการทำงาน เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้วคือขั้วแอโนด(ขั้วลบ) และขั้วแคโทด(ขั้วบวก) รอบสารละลายอิเล็กโทรไลต์ 2H2 ที่ขั้วแคโทด ให้แก๊สออกซิเจนจากอากาศเข้าไปที่ขั้วแคโทด เมื่อไฮโดรเจนไอออนกับอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่มายังขั้วแคโทดทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจนจากอากาศที่ให้เข้าไปเกิดเป็นโมเลกุลของน้ำ โดยอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งทำจากแพลตินัม จะเกิดปฏิกิริยารีดักชันได้น้ำบริสุทธิ์ออกมา ดังสมการ 4H++ 4e-+ O2 แรงดันไฟฟ้าที่ได้ต่อหนึ่งเซลล์มีค่าประมาณ 1 โวลต์และได้กระแสออกมาประมาณ 10 แอมแปร์ ซึ่งถ้านำมาต่ออนุกรมกัน (fuel cell stack) 12 เซลล์ ก็จะได้แรงดันไฟฟ้า 12 โวลต์เหมือนกับแบตเตอรี่ ปฏิกิริยารวมของเซลลเชื้อเพลิงเป็นการรวมตัวของไฮโดรเจนและออกซิเจนเกิดเป็นน้ำ ดังสมการ 2H2+ O2 Return to contents ตัวอย่างเซลล์กัลวานิก ประเภทเซลล์ทุติยภูมิ แบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว (Lead Storage Battery) แบตเตอรี่คือเซลล์ไฟฟ้าหลาย ๆ เซลล์ต่อกันเป็นอนุกรม แบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วนี้เป็นแบตเตอรีที่ใช้ในรถยนต์ โดยประกอบด้วยเซลล์ไฟฟ้า 6 เซลล์ แต่ละเซลล์จะมีศักย์ไฟฟ้า 2 โวลต์ ดังนั้นแบตเตอรี่ในรถยนต์มีศักย์ไฟฟ้า 12 โวลต์ ส่วนประกอบของแบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว * ขั้วบวก และ ลบ ของแบตเตอรี่ รูปที่ 1) และ 3)
พิจารณาตามขั้วของแบตเตอรี่ภายนอก แบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วจะประกอบด้วยอิเล็กโทรดคือแผ่นตะกั่ว มีกรดซัลฟิวริกเจือจางเป็นอิเล็กโทรไลต์ เมื่อมีการอัดไฟครั้งแรกแผ่นตะกั่วที่ต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี (ขั้วแอโนด) จะถูกออกซิไดซ์เป็นเลด (II) ไอออน ดังสมการ Pb(s) เมื่อรวมกับออกซิเจนที่เกิดขึ้นจะกลายเป็นเลด (IV) ออกไซด์ Pb2+(aq) + O2(g) ดังนั้นที่ขั้วแอโนด (ขั้วบวก) แผ่นตะกั่วจะถูกเปลี่ยนเป็นเลด (IV) ออกไซด์ขั้วไฟฟ้าจึงแตกต่างกัน (ขั้วแอโนด-ขั้วบวก: PbO2และขั้วแคโทด-ขั้วลบ: Pb) ทำให้สามารถเกิดกระแสไฟฟ้าได้หรือจ่ายไฟได้นั่นเอง ขั้วแอโนด-ขั้วลบ: Pb(s) + SO42-(aq) ขั้วแคโทด-ขั้วบวก: PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วแอโนดหรือขั้วลบผ่านวงจรภายนอกไปยังขั้วแคโทดหรือขั้วบวก จากสมการจะสังเกตได้ว่ามีผลิตภัณฑ์คือ PbSO4(s) เกิดขึ้นเหมือนกัน ดังนั้นเมื่อใช้แบตเตอรี่ไประยะหนึ่งความต่างศักย์จะลดลง และจะลดลงไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งเป็นศูนย์ ทั้งนี้เนื่องจากขั้วไฟฟ้าทั้งคู่เหมือนกัน จึงไม่มีความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วทั้งสอง ปฏิกิริยาของเชลล์ข้างบนเป็นผันกลับได้ ดังนั้นถ้าต้องการให้เกิดการผันกลับจึงจำเป็นต้องมีการอัดไฟฟ้าใหม่ โดยการต่อขั้วบวกของเซลล์กับขั้วบวกของแบตเตอรี่และขั้วลบกับขั้วลบของแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาข้างบนก็จะเปลี่ยนทิศทางเป็นจากขวาไปซ้าย ในลักษณะนี้เลด(II) ซัลเฟตที่ขั้วลบก็จะเปลี่ยนเป็นตะกั่ว ส่วนอีกขั้วหนึ่ง เลด (II) ซัลเฟตจะเปลี่ยนเป็นเลด (IV) ออกไซด์ ดังสมการ ขั้วแอโนด-ขั้วบวก: PbSO4(s) + 2H2O(l) ขั้วแคโทด-ขั้วลบ: PbSO4(s) + 2e- จากปฏิกิริยาในขณะที่มีการจ่ายไฟฟ้า ความเข้มข้นของกรดจะลดลงเรื่อย ๆ จากปกติที่มีความถ่วงจำเพาะ ประมาณ 1.25 ถึง 1.30 แล้วแต่อุณหภูมิในขณะนั้น ๆ ถ้าหากเมื่อใดมีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่า 1.20 ที่อุณหภูมิของห้องก็ควรจะมีการอัดไฟฟ้าใหม่ได้ เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม หรือเซลล์นิแคด (Nickel-Cadmium Cell) ที่ขั้วแอโนด:Cd(s)+ 2OH-(aq) ที่ขั้วแคโทด: NiO2(s) + 2H2O(l) + 2e- ปฏิกิริยารวม:Cd(s)+ NiO2(s) + 2H2O(l) เซลล์ลิเทียมไอออน (Lithium Ion Cell) เซลล์ลิเทียมอาจให้ศักย์ไฟฟ้าสูงถึง 3 โวลต์เป็นเซลล์ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็งได้แก่สารพอลิเมอร์ที่ยอมให้ไอออนผ่านแต่ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่าน ขั้วแอโนดคือลิเทียมซึ่งเป็นธาตุที่มีค่าศักย์ไฟฟ้ารีดักชันมาตรฐานต่ำที่สุด มีความสามารถในการให้อิเล็กตรอนได้ดีที่สุด ส่วนแคโทดใช้สารที่เรียกว่าสารประกอบแทรกชั้น (Insertion Compound) ได้แก่ TiS2หรือV6O13 Return to contents |
ประโยชน์ของเซลล์เคมีไฟฟ้า มีอะไรบ้าง
กระทู้ที่เกี่ยวข้อง
ลิขสิทธิ์ © 2024 th.ketiadaan Inc.
