Transcript 2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้า

รหัสวิชา 2302115
ภาคต้น ปี การศึกษา 2553
Currents in Electrochemical cells
Types of conduction
• Metallic conduction
Flow of electrons with no movement of
the atoms of the metal
• Ionic or Electrolytic conduction
Electric current by migration of ions through the bulk
of solution toward the electrodes.
Both anions and cations contribute electric current.
Electric current
Charge : Q Coulombs
1e- = -1.602 x 10-19 C
Current : I Amperes
1 Amp = 1 C / sec
Potential : V Volts
Q=Ixt
Faraday Constant : F Coulombs / mole
-19
23 = (1.602 x10 C/e )(6.02 x10 e / mol)
= 96,500 C / mol
This is the amount of charge transferred by one mole of
electrons
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
ทบทวนความรู้ก่อนทดลอง
Oxidation / Reduction Reactions
• เกิดการเปลี่ยนแปลง oxidation state
+2
+7
5Fe2+ + MnO4- + 8H3O+
5e- transfer
Reactant 1
+3
+2
5Fe3+ + Mn2+ + 12H2O
Medium
Reactant 2
spontaneous
Reducing
Agent or
Reductant
Oxidizing
Agent or
nonspontaneous
Oxidant
Medium
Product 1
Product 2
Oxidizing
Agent or
Oxidant
Reducing
Agent or
Reductant
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
+
Zn(s) + 2H3O
zinc is oxidized,
Zn(s) +
(aq)
hydrogen is reduced.
2+
Cu (aq)
zinc is oxidized,
2+
Zn (aq)
2+
Zn (aq)
copper is reduced.
+ H2 (g)
+ Cu (s)
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Mg(s) + Cu2+(aq)
Mg2+(aq) + Cu(s)
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Direct Redox Reactions
จุ่มทองแดง (copper) ในสารละลาย silver nitrate (AgNO3)
Cu(s) ⇌ Cu2+ + 2e
Ag+ + e ⇌ Ag(s)
Cu(s) + 2Ag+ ⇌ Cu2+ + 2Ag(s)
Ag+ plates onto Cu and Cu dissolves as Cu2+.
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Indirect Redox Reactions :
Redox Reactions in Electrochemical Cells
องค์ประกอบพืน้ ฐาน
a) ขัว้ ไฟฟ้ า (electrode) 2 ขัว้
b) สารละลายอิเล็กโทรไลต์
c) การเชื่อมต่อภายนอก
(External connection)
ระหว่างขัว้ ไฟฟ้ าทัง้ สอง
d) การเชื่อมต่อภายใน (Internal
connection) โดยสัมผัสกับ
สารละลายเดียวกัน หรือ
สารละลายต่างกันที่เชื่อมต่อ
กันด้วย salt bridge
•
•
Anode Compartment in which oxidation occurs
Cathode Compartment in which reduction occurs
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Salt bridge
ทาหน้ าที่ แยกสารละลายในครึ่งเซลล์
ทัง้ สองเพื่อป้ องกันไม่ให้ เกิดปฏิกิริยา
เคมีโดยตรง
แต่ ยอม ให้ เกิ ดการเคลื่ อนที่ ของ
ไอออนและการไหลของกระแสไฟฟ้ า
ได้
cations (K+) move from anode to cathode,
anions (NO3-) move from cathode to anode.
วัดศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์นี้โดยใช้ โวลต์มิเตอร์ (ที่ มี
ความต้านทานภายในสูง) ต่ อระหว่างขัว้ ไฟฟ้ าทัง้
สองของเซลล์
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Types of Electrochemical Cells
1. Electrolytic cells:
- these are cells in which an
external electrical source forces
a nonspontaneous reaction to occur
2. Voltaic cells:
- also called galvanic cells.
In these cells spontaneous reactions
generate electrical energy and supply it
to an external circuit
• In voltaic cells, voltage drops as the reaction proceeds.
When voltage = 0, the reaction is at equilibrium
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
e
Electrolytic Cells
Voltmeter
Com
e
+
+
Meter
positive
lead
e
ต้ อ งให้ พ ลัง งานภายนอก
แก่ เ ซลล์ เ พื่ อ ผลั ก ดั น ให้
เกิดปฏิกิริยาเคมี
Salt bridge
e
Copper
electrode
Silver
electrode
CuSO4
solution
AgNO3
solution
[Cu2+] = 0.0200 M
Cu2+ + 2e ⇌ Cu(s)
Cathode
[Ag+] = 0.0200 M
Ag(s) ⇌ Ag+ + e
Anode
Cell reaction : 2Ag(s) + Cu2+ ⇌ 2Ag+ + Cu(s)
ขั ้ ว ไ ฟ ฟ้ า ล บ (Negative
electrode) คือขัว้ ไฟฟ้ าที่
อิเล็กตรอนถูกผลักเข้ามา
เ พื่ อ ผ ลั ก ดั น ใ ห้ เ กิ ด
ปฏิกิริยาไฟฟ้ าเคมี
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Galvanic or Voltaic cell
Low resistance circuit
e
ให้พลังงานเนื่ องจากเกิด
ปฏิกริ ิ ยาไฟฟ้ าเคมีท่ เี กิด ขึ้น
ได้เอง (spontaneous
Salt bridge
e
Saturated KCl solution
Anion
electrochemical
Luigi Galvani reaction)
Cation
Copper
electrode
e
CuSO4
solution
e
Red2
Ox1
Ox2
Red1
[Cu2+] = 0.0200 M
Cu(s) ⇌ Cu2+ + 2e
Anode (oxidation occurs)
Negative (electron rich)
Silver
electrode
AgNO3
solution
[Ag+] = 0.0200 M
Ag+ + e ⇌ Ag(s)
Cathode (reduction occurs)
Positive (electron deficiency)
Spontaneous cell reaction :
เมื(1737-1798)
่ อครบวงจร
ขัว้ ไฟฟ้ าลบ (Negative
electrode) คือขัว้ ไฟฟ้ าที่ผลัก
อิเล็กตรอนเข้าสู ว่ งจร
ภายนอก
Count Alessandro Volta
(1745-1827)
2Ag+ + Cu(s) ⇌ 2Ag(s) + Cu2+
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Standard Hydrogen Reference Electrode
Hydrogen gas electrode
Pt, H2(p = 1.00 atm)│H+ (x M)║
Half-reaction
2H+(aq) + 2e ⇌ H2(g)
(platinum black
with large
specific area)
Standard hydrogen electrode
(SHE)
Pt, H2(p = 1.00 atm)│H+ (aH+ = 1.00)║
Potential = 0.000 V at all temperature
The hydrogen gas electrode.
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Electrode Potential
ศักย์ขวั้ ไฟฟ้ า (electrode potential) คือศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์ท่ มี ี
เป็น left-hand electrode (reference)
SHE
Ecell = Eright – Eleft
H2 gas
pH2 = 1.00 atm
= EAg – ESHE
Salt bridge
= EAg – 0.000
= EAg
การวัด electrode potential ของ
aH = 1.00
aAg = 1.00
Ag electrode
14
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
E0cell = E0Cu – E0SHE
0
E
0
cell
=E
Cu
– 0.000 V
E0cell = E0Cu
E0cell = +0.34 V
E0 Cu2+/Cu = +0.34 V
Cu2+(aq)+ 2e-
Cu(s)
spontaneous reactions VS SHE
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Zn(s) | Zn2+ (a =1) || H3O+ (a= 1) | H2(g)(p = 1 atm),Pt
the cell potential Ecell = Eright – Eleft
E0cell = E0SHE – E0Zn
E0cell = 0.000 V - E0Zn
E0cell = - E0Zn
E0cell = +0.76 V
E0 Zn2+/Zn = -0.76 V
Zn2+(aq)+ 2e-
Zn(s)
nonspontaneous reactions VS SHE
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Half-Reaction
Ag+ + e ⇌ Ag(s)
2H+ + 2e ⇌ H2(g)
Standard Electrode Potential, V
+ 0.799
0.000
Cd2+ + 2e ⇌ Cd(s)
– 0.403
Zn2+ + 2e ⇌ Zn(s)
– 0.763
Relative strength of oxidizing agents (electron acceptors)
Ag+ > H+ > Cd2+ > Zn2+
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Selected Standard Electrode Reduction Potentials (298K)
Half-Reaction
F2(g) + 2e-
2F-(aq)
Cl2(g) + 2e2Cl-(aq)
MnO2(g) + 4H+(aq) + 2eMn2+(aq) + 2H2O(l)
NO3-(aq) + 4H+(aq) + 3eNO(g) + 2H2O(l)
Ag+(aq) + eAg(s)
Fe3+(g) + eFe2+(aq)
O2(g) + 2H2O(l) + 4e4OH-(aq)
Cu2+(aq) + 2eCu(s)
2H+(aq) + 2eH2(g)
N2(g) + 5H+(aq) + 4eN2H5+(aq)
Fe2+(aq) + 2eFe(s)
2+
Zn (aq) + 2e
Zn(s)
2H2O(l) + 2eH2(g) + 2OH-(aq)
Na+(aq) + eNa(s)
Li+(aq) + eLi(s)
E0(V)
+2.87
+1.36
+1.23
+0.96
+0.80
+0.77
+0.40
+0.34
0.00
-0.23
-0.44
-0.76
-0.83
-2.71
-3.05
∆E0 = E0Red - E0Ox
= +1.10 V
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Standard Electrode Potential, E 0
1. E0 คือศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์ไฟฟ้ าเคมีท่ มี ี SHE เป็ น reference (left-hand)
electrode (potential = 0.000 V)
2. E0 เป็ น relative reduction potential
3. E0 วัดแนวโน้มของแรงที่จะผลักดันให้ครึ่ งปฏิกริ ิ ยาจากภาวะที่ตวั ทาปฏิกริ ิ ยา
4.
5.
6.
และผลิตภัณฑ์มี activity เท่ากับ 1 เข้าสู ภ่ าวะสมดุลเมื่อเทียบกับ SHE
E0 ไม่ข้ ึนกับจานวนโมลของตัวทาปฏิกริ ิ ยาและผลิตภัณฑ์ท่ แี สดงในครึ่ ง
ปฏิกริ ิ ยาที่ดุล
E0 = + แสดงว่าครึ่ งปฏิกริ ิ ยาเกิดขึ้นได้เอง (spontaneous) เมื่อเทียบกับครึ่ ง
ปฏิกริ ิ ยาของ SHE นั่นคือ ตัวออกซิไดส์ในครึ่ งปฏิกริ ิ ยาจะแรงกว่า H+
E0 ไม่ข้ ึนกับอุณหภูมิ
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
How do Cell Potentials Change
if We are Not at Standard State?
• Standard state:
– Temperature 250C (K = 273.15 + 0C)
– Pressure 1 atm
– Concentrations of all solutes 1 M
– 0 (not) is used to indicate at standard state
– Example: E0 = cell potential at standard state
The Nernst Equation
aA +bB
cC+ dD
RT C D
0
EE 
ln
nF A a B b
c
d
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Effect of Concentration on Electrode Potential ;
The Nernst Equation
aA +bB
cC+ dD
RT C D
EE 
ln
nF A a B b
c
d
0
Walther Hermann Nernst
German chemist 1864 -1941
Noble Prize Winner in 1920
E = cell potential (or half cell reduction potential)
E0 = standard cell potential (or std. half cell reduction potential)
R = 8.314472 J K- mol- = 8.314472 V C K- molT = Temperature (K)
F = 9.649 x 104 C/mol efor a solute A in solution
n = moles of electrons transferred
[A] = molar concentration
for a gas A , [A] = p = partial pressure
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Zn2+
+
2e
⇌ Zn(s)
Fe3+ + e ⇌ Fe2+
+
2H +
2e
⇌ H2(g)
E=
E0
0.0592
–
log 12+
2
[Zn ]
2+]
[Fe
0.0592
E = E0 –
log
1
[Fe3+]
E=
E0
PH
0.0592
–
log + 2
2
[H ]
2
MnO4 + 8H+ + 5e ⇌ Mn2+ + 4H2O
2+]
[Mn
E = E0 – 0.0592 log
[MnO4][H+]8
5
AgCl(s) + e ⇌ Ag(s) + Cl
E = E0 – 0.0592 log [Cl]
1
2302115 Gen Chem Lab I ปี การศึกษา 2553
นิสิตเข้าปฏิบตั ิ การ แต่งกายรัดกุม
และคานึ งถึงความปลอดภัยแล้วหรือยัง
แว่นตานิรภัย เสื้อกาวน์
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
กิจกรรมวันนี้
ตอนที่ 1 ปฏิกิริยารีดอกซ์
ตอนที่ 2 อิเล็กโทรลิซิสของสารละลาย CuSO4
ตอนที่ 3 เซลล์กลั วานิก
3.1 เซลล์ไฟฟ้ าเคมี
3.2 เซลล์ความเข้มข้น
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
ตอนที่ 1 ปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox Reaction)
เข็มหมุด
ขัดปลายเข็มหมุดก่อนใช้
1 M CuSO4
ทิ้งไว้ 30 นาที
สังเกตการเปลี่ยนแปลง เขียนปฏิกิริยาที่เกิดขึน้
พร้อมอธิบายเหตุผลประกอบ
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
ตอนที่ 2 อิเล็กโทรลิซิสของสารละลาย CuSO4

+
ถ่านไฟฉาย 9V
ขัดปลายเข็มหมุดก่อนใช้
เข็มหมุด
1 M CuSO4
1 M CuSO4
1 M CuSO4
½ นาที
1 นาที
1 ½ นาที
เขียนปฏิกิริยาที่เกิดขึน้ และเปรียบเทียบ
• ปริมาณทองแดงที่เกิดขึน้ ที่ขวั ้ ลบ
• สีของสารละลาย CuSO4
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
3.1 เซลล์ไฟฟ้ าเคมี (Galvanic Cell)
Voltmeter
+
Cu
?V
-
Salt bridge
(1M KNO3)
1M CuSO4
Fe
1M FeSO4
• อ่านค่า Ecell จากโวลต์มิเตอร์
• เขียนปฏิกิริยาที่เกิดขึน้
• เปรียบเทียบ Ecell กับ Eocell ระบุเหตุผลประกอบ
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
3.2 เซลล์ความเข้มข้น
เซลล์ที่ประกอบด้วย 2 ครึ่งเซลล์ที่มีองค์ประกอบเหมือนกัน
แต่ความเข้มข้นของไอออนต่างกัน
voltmeter
+
?V
-
จับเวลาจนกระทังศั
่ กย์ไฟฟ้ าเข้าใกล้ 0
Salt bridge
Cu
Cu (1M KNO3)
3M CuSO4
1M CuSO4
• เพราะเหตุใดศักย์ไฟฟ้ าจึงมีค่าเข้าใกล้ 0
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
ตอนที่ 1 ปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox Reaction)
เข็มหมุด
Fe
1 M CuSO4
เมื่อตัวออกซิไดส์สมั ผัสกับตัวรีดิวซ์ e- จะถูก
ถ่ายโอนจากตัวออกซิไดส์ไปยังตัวรีดิวซ์โดยตรง
Fe(s)
Fe2+(aq) + 2eCu2+(aq) + 2e- Cu(s)
Fe(s) + Cu2+(aq)
Oxidation
Reduction
CuSO4 solution
Fe
Fe2+(aq) + Cu(s) Redox
Eocell = +0.34 – (-0.44) = +0.78 V
CuSO4 solution
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
ตอนที่ 2 อิเล็กโทรลิซิสของสารละลาย CuSO4

+
ขัว้ สีดาสังเกตเห็น .....
โลหะเกาะที่ขวั ้
เข็มหมุด
1 M CuSO4
½ - 1 ½ นาที
ขัว้ สีแดงสังเกตเห็น ......
ฟองแก๊ส
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
anode : ขัว้ บวก (สายสีแดง)
2SO42- = S2O82- + 2e2H2O = O2 + 4H+ + 4ecathode : ขัว้ ลบ (สายสีดา)
Cu2+ + 2e- = Cu
2H2O + 2e- = H2 + 2OH-
เกิดแก๊ส
เกิดโลหะ Cu
สารละลายสีฟ้าจางลง
overall : 2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + O2 + 4H+
เมื่อใช้เวลามากขึน้ ปริมาณ Cu ยิ่งมากขึน้ สารละลายสีฟ้ายิ่งจางลง
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
แต่
อย่าลืมว่า ...
Fe
Fe(s)
Fe2+(aq) + 2eCu2+(aq) + 2e- Cu(s)
Fe(s) + Cu2+(aq)
Fe2+(aq) + Cu(s)
CuSO4 solution

+
จะปรับการทดลองอย่างไร ?
Fe
1 M CuSO4
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
3.1 เซลล์ไฟฟ้ าเคมี (Galvanic Cell)
Voltmeter
+
Cu
-
eSalt bridge
(1M KNO3)
1M CuSO4
Cu2+(aq)+ 2e-
?V
Cu(s)
Fe
1M FeSO4
Fe(s) Fe2+(aq)+ 2e-
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
Cathode :
Anode :
2+
Cu
(aq)
+ 2e
Cu(s)
Fe2+(aq)+ 2e-
Fe(s)
Cell reaction : Fe(s)+ Cu2+(aq)
2+
Fe
o
E
(aq)+ Cu(s)
cell = ….. V
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
2+
Cu
(aq)
+ 2e
Fe2+(aq) + 2e-
Anode :
Cathode :
Fe(s)
Cu2+(aq) + 2e-
Cell reaction : Fe(s)+ Cu2+(aq)
Cu(s)
Fe(s)
o
E (V)
+0.34
-0.44
Fe2+(aq)+ 2e- +0.44 V
Cu(s)
Fe2+(aq)+ Cu(s)
+0.34 V
Eocell = +0.78V
Eocell = + ปฏิกิริยารีดอกซ์เกิดขึน้ ได้เอง
13
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
E0cell = 0.78 V
Ecell ที่วดั ได้ = …… V
@ ในวงจรไฟฟ้ ามีความต้านทานสูง จากสายไฟและ
จุดเชื่อมต่อต่างๆ
@ สภาวะในการทดลองไม่ใช่สภาวะมาตรฐาน
๐ ความเข้มข้น  1 M
๐ อุณหภูมิ  25oC
๐ เข็มหมุดไม่ใช่เหล็กบริสทุ ธ์ ิ มีการเคลือบ nichrome
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
3.2 เซลล์ความเข้มข้น
meter
eCu
anode
-
e+
NO3- K+
Salt bridge
SO42-
Cu2+
1M CuSO4 solution
Cotton
plugs
Cu
cathode
Cu2+
SO42-
3M CuSO4 solution
oxidation :
Cu = Cu2+(1M ) + 2ereduction : Cu2+(3M ) + 2e- = Cu
overall :
Cu2+(3M ) = Cu2+(1M )
emf ของเซลล์ความเข้มข้น จะมีค่าน้ อยและลดลงอย่างต่อเนื่ อง
ในระหว่างที่เซลล์นัน้ ทางาน
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
2+
Cu (3M
) =
2+
Cu (1M
Ecell = Eocell - 0.059
log
n
Ecell
1
0.059
= 0 - 2 log
3
= 0.014 V
)
2+
[Cu ]
2+
[Cu ]
dil
conc
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
การทดลองเพิ่มเติม
แบตเตอรีเหรียญสตางค์
อ่านค่าความต่างศักย์ (mV) กระแสไฟฟ้ า (mA) ระบุขวั ้ แอโนด แคโทด
2302115 Gen Chem Lab I : การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้ า
ประเมินผลการเรียนรู้ด้วยตนเอง (ทาเครื่องหมาย  ในช่องที่ต้องการ)
หัวข้อ
ผลการเรียนรู้ที่ได้
มาก
ปานกลาง
1. ระบุว่าปฏิกิริยาใดเป็ นปฏิกิริยาออกซิเดชัน ปฏิกิริยาใดเป็ น
รีดกั ชัน
2. เขียนกลไกการเกิดอิเล็กโทรลิซิสของสารละลายคอปเปอร์
ซัลเฟต
3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณไฟฟ้ าที่ใช้ในอิเล็กโทร
ลิซิสกับปริมาณผลิตภัณฑ์
4. สร้างเซลล์ไฟฟ้ าเคมีและวัดค่าศักย์ไฟฟฟ้ าของเซลล์
5. สร้างเซลล์ความเข้มข้นและตรวจวัดศักยภาพของเซลล์
และ....อื่นๆที่ผเ้ ู รียนอยากจะบอกผูส้ อน
น้ อย
ไม่ได้เลย