Transcript Document
การทดลองที่ 8 เคมีไฟฟ้า (Electrochemistry) ‘LCD-Clock powered by a tomato battery’ เคมีไฟฟ้า (Electrochemistry) • ปฏิกิริยาเคมีที่ทาให้ เกิดการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้า • เกี่ยวข้ องกับปฏิกิริยาที่มีการให้ -รับ e- จากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่ง เรี ยกว่า ‘ปฏิกิริยารี ดอกซ์ ’ ปฏิกริ ิยาอออกซิเดชัน-รี ดักชัน, รี ดอกซ์ (oxidation-reduction, redox reaction) • Oxidation – ปฏิกิริยาที่มีการให้ e- (เลขออกซิเดชันเพิ่มขึ ้น) • Reduction – ปฏิกิริยาที่มีการรับ e- (เลขออกซิเดชันลดลง) • ตัวออกซิไดส์ (oxidizing agent) – สารที่ทาให้ เกิดออกซิเดชัน • ตัวรีดวิ ซ์ (reducing agent) - สารที่ทาให้ เกิดรี ดกั ชัน ตัวออกซิไดส์ เกิด reduction ถูกรี ดวิ ซ์ ox. no. ลด ตัวรี ดวิ ซ์ เกิด oxidation ถูกออกซิไดส์ ox. no. เพิ่ม 2 4 2 Sn (aq) 2Fe3(aq) Sn (aq) 2Fe(aq) ox. no. +2 +3 +4 ตัวออกซิไดส์ ตัวรี ดิวซ์ +2 Fe3+ Sn2+ ครึ่งปฏิกิริยา (half-reaction) Oxidation: 2 4 Sn (aq) Sn (aq) 2e2 Reduction: 2 2Fe3(aq) 2e- Fe(aq) e- ที่ให้ และรั บต้ องเท่ ากัน เซลล์ ไฟฟ้า 1. เซลล์ กัลวานิก (Galvanic หรื อ Voltaic cell) (เคมีไฟฟ้า) oxidation-reduction เกิดได้ เอง และให้ กระแสไฟฟ้า 2. เซลล์ อิเล็กโทรไลต์ (Electrolytic cell) (ไฟฟ้า เคมี) oxidation-reduction ไม่สามารถเกิดได้ เอง ต้ องผ่านกระแสไฟฟ้า เรี ยกกระบวนการนี ้ว่า อิเล็กโทรไลซิส (electrolysis) เซลล์ กัลวานิก เซลล์ อเิ ล็กโทรไลต์ เซลล์ อิเล็กโทรไลต์ (เกิดเองไม่ ได้ ) (+) (-) Na+ Cl- ปฏิกิริยาที่เกิดขึน้ แอโนด (+): แคโทด (-): 2Cl-(l) 2Na+(l) + 2e- Cl2(g) + 2e2Na(l) ปฏิกริ ิยารวม: 2Na+(l) + 2Cl-(l) 2Na+(l) + Cl2(g) E0cell= -4.07V E0 red= +1.36V E0red= -2.71V เซลล์ กัลวานิก (เกิดเองได้ ) แอโนด (Anode), เกิด oxidation แคโทด (Cathode), เกิด reduction • มีการไหลของ e- จากแอโนดไปยังแคโทด • สะพานเกลือ (salt bridge) ทาจาก สารละลายอิเล็กโทรไลต์ เช่น KCl หรื อ KNO3 ใช้ เพื่อทาให้ เกิดความเป็ นกลาง ทางไฟฟ้า ศักย์ ไฟฟ้ามาตรฐาน (standard potential, E) • ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่สารตังต้ ้ นและผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยารี ดอกซ์อยูใ่ นสภาวะ มาตรฐาน (ความดัน 1 บรรยากาศ/ความเข้ มข้ น 1 M และอุณหภูมิ 25 C) • ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เกิดจากการรวมกันของสองครึ่งปฏิกิริยา (2 ครึ่งเซลล์) • ศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์วดั เทียบจาก ศักย์ไฟฟ้าครึ่งปฏิกิริยาของไฮโดรเจน Standard Hydrogen Electrode (SHE) H2(g, atm) E = 0 V 2H+ (aq, 1M) + 2e- • ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์จะแสดงในรูปครึ่งปฏิกิริยารี ดกั ชัน เรี ยกว่า ศักย์ ไฟฟ้ารี ดักชันมาตรฐาน (standard reduction potential, Ered) ศักย์ ไฟฟ้ารีดักชันมาตรฐานที่ 25 C • E เป็ นค่าเฉพาะปฏิกิริยาตามที่ เขียน • ค่า E เป็ นบวกมากแสดงว่าปฏิกิริยา รี ดกั ชันนันเกิ ้ ดได้ ง่าย • ครึ่งปฏิกิริยาเหล่านี ้ผันกลับได้ • สาหรับปฏิกิริยาย้ อนกลับ ให้ กลับ เครื่ องหมายหน้ าค่า E • เมื่อคูณสัมประสิทธิ์ในปฏิกิริยาด้ วย ตัวเลขใดๆ ค่า E ไม่เปลี่ยน ศักย์ ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ , Ecell ตัวอย่ าง E , V ครึ่งปฏิกริ ิยา I2 + 2e– ⇌ 2I– Cl2 + 2e– ⇌ 2Cl– +0.536 +1.360 • เมื่อรวมศักย์ไฟฟ้ าของครึ่งเซลล์เข้ าด้ วยกัน ถ้ า E เซลล์ เป็ นบวก E เซลล์ เป็ นลบ ปฏิกริ ิยานัน้ เกิดขึน้ ได้ เอง ปฏิกริ ิยานัน้ เกิดขึน้ ไม่ ได้ เอง • พิจารณา Ered ข้ างบน Ered ของ Cl2 มีค่ามากกว่ า จึงเกิด reduction และ I- เกิด oxidation 2I-(aq) I2(s) + 2eE = -0.53 V Cl2(g) + 2e2Cl-(aq) E = 1.36 V Cl2(g) + 2I-(aq) 2Cl-(aq) + I2(s) Ecell = Ecathode - Eanode E = 0.83 V สมการของเนินสต์ (Nernst’s equation) • ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ ณ สภาวะใด ๆ aA + bB + ne- cC + dD C D 0.059 E Eο log n Aa Bb c d E = ศักย์ไฟฟ้าของขัวไฟฟ ้ ้ าหรื อเซลล์ที่ไม่ใช่สภาวะมาตรฐาน E = ศักย์ไฟฟ้าของขัวไฟฟ ้ ้ าหรื อเซลล์ที่สภาวะมาตรฐาน n = จานวนอิเล็กตรอนที่ถ่ายเท ***Ecell ขึน้ กับความเข้ มข้ นของสาร เซลล์ ความเข้ มข้ น (concentration cell) • เซลล์กลั วานิกที่เกิดจากสารละลายชนิดเดียวกัน แต่ ความเข้ มข้ นต่ างกัน V e- e- Salt bridge (anode) Cu Cu (cathode) SO42Cu2+ 0.1 M CuSO4 anode : Cu(s, 1 M) cathode: Cu2+ (aq, 10 M) + 2e- Cu2+ (aq, 10M) - e- ไหลจากความเข้ มข้ นน้ อยไปมาก - ความเข้ มข้ นมาก เกิด reduction - ความเข้ มข้ นน้ อยเกิด oxidation SO42Cu2+ 10 M CuSO4 ในคูมื วย ่ อผิด แกไขด ้ ้ Cu2+(aq, 0.01 M) + 2eCu(s) E = -0.28 V E = 0.37 V Cu2+ (aq, 0.01 M) E = 0.09 V การทดลองวันนี้ ตอนที่ 1 ศึกษาปฏิกิริยารี ดอกซ์ ตอนที่ 2 ศึกษาปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิสของสารละลาย CuSO4 ตอนที่ 3 สร้ างเซลล์ กัลวานิก: เซลล์ ไฟฟ้าเคมี & เซลล์ ความเข้ มข้ น ตอนที่ 4 สร้ างแบตเตอรี่ จากเหรี ยญ (เพิ่มเติม) - นิสิตต่างทาการทดลองของตนเอง - โวลต์มิเตอร์ มี 1 เครื่ องต่อนิสิต 2 คน ดังนัน้ นิสิตวางแผนการทดลองสลับการใช้ เครื่ อง การทดลอง ตอนที่ 1 ปฏิกิริยารีดอกซ์ (redox reaction) มีองค์ประกอบของ Fe 1) หยด 1 M CuSO4 ลงในถาดหลุม พลาสติก (หลุมขวาสุด) นาเข็มหมุด ลง จุ่ม ทิ ้งไว้ 30 นาที 2) นาเข็มหมุดออก สังเกตการ เปลี่ยนแปลง เขียนปฏิกิริยาที่เกิดขึ ้น พร้ อมอธิบายเหตุผลประกอบ เข็มหมุด ขัดปลายเข็มหมุดก่อนใช้ ทิ้งไว้ 30 นาที 1 M CuSO4 การทดลอง ตอนที่ 2 อิเล็กโทรไลซิสของสารละลาย CuSO4 หยด 1 M CuSO4 ลงในหลุม 3 หลุม : - จุ่มเข็มในหลุมที่ 1 เป็ นเวลา ½ นาที, - จุ่มเข็มหลุมที่ 2 นาน 1 นาที - จุ่มเข็มหลุมที่ 3 นาน 1½ นาที ขัว้ ลบ – สายสีดา ขัว้ บวก - สายสีแดง + ถ่านไฟฉาย 9V เข็มหมุด 1 M CuSO4 ½ นาที - นำขัว้ ลบทัง้ สำมหลุมมำ เปรียบเทียบกัน (ปริมำณ ทองแดงทีเ่ กิดขึน ้ ทีข ่ ว้ั ลบ) : เขียนปฏิกริ ย ิ ำทีเ่ กิดขึน ้ และ เปรียบเทียบ สี ของสำรละลำย CuSO4 ขัดปลายเข็มหมุดก่อนใช้ 1 M CuSO4 1 นาที 1 M CuSO4 1 ½ นาที การทดลอง ตอนที่ 3 เซลล์ กัลวานิก (Galvanic cell) 3.1 เซลล์ ไฟฟ้าเคมี Voltmeter + สร้ างเซลล์ไฟฟ้าเคมีดงั ภาพ อ่านค่า Ecell จากโวลต์มิเตอร์ -เขียนปฏิกิริยาที่เกิดขึ ้นที่แอโนด แคโทด และปฏิกิริยารวมของเซลล์ไฟฟ้า - เปรี ยบเทียบ Ecell ที่วดั ได้ กบั Ecell และ อธิบายเหตุผลของความแตกต่าง Cu ?V Salt bridge (1M KNO3) - Fe 1M CuSO4 1M FeSO4 Salt bridge –ตัดกระดาษกรอง หยด 1 M KNO3 จนชุ่ม นาไปวางดังภาพให้ สัมผัสกับสารละลายทัง้ สอง (อย่ าให้ แห้ ง) 3.2 เซลล์ ความเข้ มข้ น สร้ างเซลล์ความเข้ มข้ นดังภาพ วัด voltage อ่านค่าเมื่อมีค่าคงที่ จับ เวลาจนกระทัง่ voltage อ่านค่าใกล้ ศูนย์ ระหว่างนันอย่ ้ าปล่อยให้ salt bridge แห้ ง อธิบายว่า voltage ที่อ่านได้ เกิดจาก สาเหตุใด และเมื่อเวลาผ่านไปเหตุใดความ ต่างศักย์ไฟฟ้าจึงมีค่าใกล้ ศนู ย์ หรื อไม่มี กระแสไฟฟ้าไหล + voltmet er ?V - จับเวลาจนกระทังศั ่ กย์ไฟฟ้ าเข้าใกล้ 0 Salt bridge Cu (1M KNO3) Cu 3M CuSO4 1M CuSO4 3.2 เซลล์ ความเข้ มข้ น (ดัดแปลงการทดลอง) (ขายาว) 3 ***ใช้ หลอด LED แทนโวลต์ มิเตอร์ ขายาว – ขัว้ บวก ขาสัน้ - ขัว้ ลบ (ขาสัน้ ) 1 - จับเวลาเมื่อหลอดไฟติดจนกระทัง่ ไม่เห็นแสงไฟ (อาจใช้ เวลานาน ควรต่อเซลล์ไว้ แล้ วทาการทดลอง ตอนอื่น) ***ข้ อควรระวัง*** รอยต่อระหว่างปากคีบกับขาหลอดอาจร้ อน ควรระมัดระวังเมื่อจับ การทดลองเพิ่มเติม แบตเตอรีเหรียญสตางค์ อ่านค่าความต่างศักย์ (mV) กระแสไฟฟ้ า (mA) ระบุขวั ้ แอโนด แคโทด ทาการทดลอง อย่ างมีความสุข การทดลอง ตอนที่ 1 ปฏิกิริยารีดอกซ์ (redox reaction) เข็มหมุด 1 M CuSO4 • เกิดลักษณะของผงทองแดงมำเกำะรอบ ๆ เข็มหมุด • แสดงให้เห็นวำเกิ ้ เพรำะฉะนั้น ่ ดโลหะทองแดงขึน ทองแดงจึงน่ำจะเป็ นตัวอ๊อกซิไดซ ์ Cu2+ + 2e- Cu E0 = 0.34 V (Reduction) Fe Fe2+ + 2e- E0 = 0.44 V (Oxidation) Cu2+ + Fe Cu + Fe2+ Ecell = 0.78 V การทดลอง ตอนที่ 2 อิเล็กโทรไลซิสของสารละลาย CuSO4 Cathode Anode Cu2+ + 2e- Cu 2H2O O2 + 4H+ + 4e- • เกิดลักษณะของโลหะทองแดงเกิดขึน ้ ทีข ่ น ึ้ แคโทด และมีฟองก๊ำซทีแ ่ อโนด • ตำมทฤษฏีน้น ั ปริมำณทองแดงทีเ่ กิดขึน ้ ตองแปรผั นตำมเวลำ ้ Note : จะเห็นไดว ิ ำไดโดยตรงกั บสำรละลำย ้ ำเข็ ่ มหมุดเหล็กสำมำรถเกิดปฏิกริ ย ้ Cu2+ Cu2+ + Fe Cu + Fe2+ เพรำะฉะนั้นควรใช้วัสดุอยำงอื น ่ แทนเช่นแทง ่ แกรไฟต ์ การทดลอง ตอนที่ 3 เซลล์ กัลวานิก (Galvanic cell) ขัว้ สีแดง ขัว้ สีดา Cu2+ + 2e- Cu E0 = 0.34 V (Reduction) Fe Fe2+ + 2e- E0 = 0.44 V (Oxidation) Cu2+ + Fe Cu + Fe2+ Ecell = 0.78 V เปรียบเทียบคำ่ Ecell ทีไ่ ดจำกเครื อ ่ งกับคำ่ Ecell ทีค ่ ำนวณจำก ้ E0 -ควำมเขมข Cu2+ กับ Fe3+ ไมเท ้ นของ ้ ่ ำกั ่ บ 1M 0 - อุณหภูมข ิ ณะทำกำรทดลองไมเท ่ ำกั ่ บ 25 C - มีควำมตำนทำนในวงจนไฟฟ ้ ้ำ - สำรละลำยทัง้ สองชนิดอำจมีส่ิ งเจือปน การทดลอง ตอนที่ 3 เซลล์ กัลวานิก (Galvanic cell) Cell reaction Cu2+ (3M) Cu2+ (1M) 3 1 Ecell E 0 cell Ecell 0 [Cu 2 ]dil 0.059 log 2 [Cu 2 ]conc 0.059 1 log 14 mV 2 3 ซึ่งถำเวลำผ ำนไปค ำ่ Voltage จะเขำสู ิ ำของเซลล ์ ้ ่ ้ ่ ศูนย ์ เนื่องจำกปฏิกริ ย เกิดขึน ้ ในทิศทำงทีท ่ ำให้ควำมเขมข Cu2+ ทัง้ สองเซลลมี ้ น ้ ์ ควำมเขมข ้ น ้ เทำกั ่ น จนเขำสู ้ ่ ภำวะสมดุล เซลล์ อิเล็กโทรไลต์ (เกิดเองไม่ ได้ ) (+) (-) Na+ Cl- ปฏิกิริยาที่เกิดขึน้ แอโนด (+): แคโทด (-): 2Cl-(l) 2Na+(l) + 2e- Cl2(g) + 2e2Na(l) ปฏิกริ ิยารวม: 2Na+(l) + 2Cl-(l) 2Na+(l) + Cl2(g) เซลล์ กัลวานิก (เกิดเองได้ ) แอโนด (Anode), เกิด oxidation แคโทด (Cathode), เกิด reduction • มีการไหลของ e- จากแอโนดไปยังแคโทด • สะพานเกลือ (salt bridge) ทาจาก สารละลายอิเล็กโทรไลต์ เช่น KCl หรื อ KNO3 ใช้ เพื่อทาให้ เกิดความเป็ นกลาง ทางไฟฟ้า การทดลอง ตอนที่ 3 เซลล์ กัลวานิก (Galvanic cell) 3.2 เซลล์ ความเข้ มข้ น (ดัดแปลงการทดลอง) (ขายาว) 3 ***ใช้ หลอด LED แทนโวลต์ มิเตอร์ ขายาว – ขัว้ บวก ขาสัน้ - ขัว้ ลบ (ขาสัน้ ) 1 - จับเวลาเมื่อหลอดไฟติดจนกระทัง่ ไม่เห็นแสงไฟ (อาจใช้ เวลานาน ควรต่อเซลล์ไว้ แล้ วทาการทดลอง ตอนอื่น) ***ข้ อควรระวัง*** รอยต่อระหว่างปากคีบกับขาหลอดอาจร้ อน ควรระมัดระวังเมื่อจับ