Transcript เคมีไฟฟ้า
่ สัปดาห ์ที ๑๒ เคมีไฟฟ้า เคมีไฟฟ้า ปฏิก ิรย ิ ารีดอกซ ์ เซลล ์กัลวานิ ก ่ั ศ ักย ์ไฟฟ้ารีดก ั ชนมาตรฐาน ้ การเกิดขึนเองได้ ของปฏิก ิรย ิ ารีดอกซ ์ ผลของความเข้มข้นต่อค่า emf ของ เซลล ์ แบตเตอรี่ การกัดกร่อน การแยกสลายด้วยไฟฟ้า เคมีไฟฟ้า(electrochemistry) ่ • เคมีไฟฟ้า คือ สาขาของเคมีทเกี ี่ ยวข้ องกับ ่ การเปลียนแปลงระหว่ างพลังงานไฟฟ้าและ พลังงานเคมี ปฏิก ิรย ิ ารีดอกซ ์ • กระบวนการไฟฟ้าเคมี คือ ปฏิก ิรย ิ ารีดอกซ ์ ่ั ่ั (ออกซิเดชน-รี ดก ั ชน) ปฏิก ิรย ิ าเคมี ปฏิก ิรย ิ า ไฟฟ้า ปฏิก ิรย ิ ารีดอกซ ์ จะมีการถ่ายโอน e จากสาร หนึ่ งไปสู ่อก ี สารหนึ่ ง เช่น ่ั เลขออกซิเดชน 0 +1 +2 0 Mg(s) + 2HCl(aq) MgCl2(aq)+H2(g) เซลล ์กัลวานิ ก (Galvanic cell) การทดลองจุม ่ โลหะสังกะสี (Zn) ลงในสารละลาย CuSO4 ผล โลหะสังกะสี (Zn) กร่อน และมีโลหะสีน้ าตาลแดง ่ งกะสี (Cu)มาเกาะทีสั สารละลายสี ฟ ้ าจางลง + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Zn(s) Cu(s) Zn เป็ นตัว รีดวิ ส ์ เกิด Cu2+ตัวออก ซิไดส ์ เซลล ์กัลวานิ ก (Galvanic cell) • ทาโดยแยกตัวออกซิไดส ์และตัวรีดวิ ส ์ออกจาก ่ าไฟฟ้าช่วยในการถ่าย กันแล้วใช้ตวั กลางทีน โอน e ่ • เมือปฏิ ก ิ รย ิ าเกิดสม่าเสมอก็จะมีการไหลของ ้ e- เกิดกระแสไฟฟ้าขึน 6 ่ นิ ยามในเรืองของเซลล ์ก ัล วานิ ก ้ เกิ ่ ดปฏิก ิรย ่ั • แอโนดคือขัวที ิ าออกซิเดชน ้ เกิ ่ั ่ ดปฎิก ิรย • แคโทด คือ ขัวที ิ ารีด ักชน ้ • กระแสไฟฟ้า(e)ไหลจากขัวแอโนด (Zn)ไปแคโทด(Cu) ้ งกะสี คือ แอโนด (anode = • ขัวสั oxidation) Zn(s) Zn2+(aq) + 2e้ • ขัวทองแดง คือ แคโทด (cathod = reduction) • สะพานเกลือ(salt bridge) : เป็ นตัวกลางที่ นาไฟฟ้า ทาให้วงจรไฟฟ้าสมบู รณ์ ให้ ่ ่ านตัวกลางด้าน ไอออนสามารถเคลือนที ผ่ หนึ่ งไปยังอีกด้านหนึ่ งได้ • เป็ นท่อรู ปตัวยู (U)กลับหัว ภายในบรรจุ ่ ทาปฏิก ิริยากับ สารละลายอิเล็กโทรไลต ์ทีไม่ ่ ไอออนอืนในสารละลาย เช่น KCl , KNO3 หรือ NH4NO3 ความต่างศ ักย ์ของเซลล ์ ความต่างศ ักย ์ของเซลล ์ คือ ความ แตกต่างของศ ักย ์ไฟฟ้าระหว่างแอโนด กับแคโทด วัดด้วยโวลท ์มิเตอร ์ ่ อาจแทนด้วยคาว่า แรงเคลือนไฟฟ ้ า หรือ emf(E) และศ ักย ์ของเซลล ์ ้ บ ความต่างศ ักย ์ของเซลล ์ ขึนกั ธรรมชาติของอิเล็กโทรด และไอออน , ความเข้มข้นของไอออน และอุณหภู มท ิ ี่ เซลล ์ทางาน การเขียนแผนภาพเซลล ์หรือเซลล ์ ไดอะแกรม ของเซลล ์กัลวานิ ก เส้นเดียวแทนขอบเขตวัฎ ภาค Zn(s) Zn2+(1M) 2+ Cu (1M) Cu(s) เขียนแอโนด เขียนแคโทด ้ เส้นตังฉากคู ่ ทางซ ้ายของ ทางขวาของ แทนสะพานเกลือ เส้นคู ่ เส้นคู ่ 11 o) ่ั ศ ักย ์ไฟฟ้ารีดก ั ชนมาตรฐาน(E • ภายใต้สภาวะมาตรฐาน (ความเข้มข้นสารละลาย 1 M, P=1 atm, T= 25oC) • ศ ักย ์ไฟฟ้าสาหร ับปฏิก ิริยา ่ั รีดก ั ชนของ H+ มีคา ่ =0 ดังนี ้ ้ ขั วไฮโดรเจนมาตรฐาน + 2H (1M)+2e-H2(1atm) (standard hydrogen electr o E =0 V : SHE ่ั • Eo= ศ ักย ์ไฟฟ้ารีดก ั ชน SHE ใช้ว ัดศ ักย ์ไฟฟ้าของ ่ อิเล็กโทรดอืนๆได้ เช่น Zn(s) / Zn2+(1M) // H+(1M) /H2(1atm) / Pt(s) anode: Zn(s) Zn2+(aq)+2ecathode: 2H+(1M)+ 2e- H2(1atm) Redox: Zn(s)+ 2H+(1M) Zn2+(aq)+ 0 0 0 EH =E – E cell cathode anode 2(1atm) E0cell = E0H+/H2 – E0Zn2+/Zn 0.76 V = 0 - E0Zn2+/Zn , E0Zn2+/Zn = -0.76 V ้ วให้ ่ นพืนผิ Note: Pt(s) ทาหน้าทีเป็ 13 SHE ใช้ว ัดศ ักย ์ไฟฟ้าของ ่ อิเล็กโทรดอื+นๆได้ Pt(s) / H2(1atm) / H (1M)// Cu2+(1M) / Cu(s) anode: H2(1atm) 2H+(1M)+ 2ecathode: Cu2+(aq)+2e- Cu(s) 0 0 02+ E = E – E cellH2(1atm) cathode+Cu anode Redox: (1M) 0 0 0 + E = E – E Cu2+/Cu H+/H2 2H cell (1M) +Cu(s) 0.34 V = E0Cu2+/Cu - 0 , E0Cu2+/Cu = 0.34 V ค่า E0 ของ Zn และ Cu เอามาหา emf ของเซลล ์ได้ Zn(s) /Zn2+(1M) // Cu2+(1M) /Cu(s) anode: Zn(s) Zn2+(1M)+2ecathode: Cu2+(1M)+2e- Cu(s) ค่า emf ของเซลล ์ 2+(1M) Redox: เท่Zn(s) +Cu า กั บ Zn2+(1M) +Cu(s) 0 E = E0 – cell cathode E0anode E0cell = E0Cu2+/Cu– 0 15 ่ั ตาราง ศ ักย ์ไฟฟ้ารีดก ั ชน o ่ มาตรฐานที 25 C ่ั ตาราง ศ ักย ์ไฟฟ้ารีดก ั ชนมาตรฐาน ที่ 25oC ่ั ตาราง ศ ักย ์ไฟฟ้ารีดก ั ชน มาตรฐานที่ 25oC สรุปข้อมู ลจากตารางศ ักย ์ไฟฟ้ารี ่ั ดักชนมาตรฐาน ค่า E0 เป็ นค่าของปฏิก ิรย ิ าไปข้างหน้า(รี ่ั ดักชน) ค่า E0 เป็ น + มาก แสดงว่า สามารถร ับ eง่ าย (เป็ นตัวออกซิไดส ์แรง) เช่น F2 ค่า E0 เป็ น - มาก แสดงว่าสามารถร ับ e-ยาก (ให้ e-ง่ าย) (เป็ นตัวรีดวิ ส ์แรง) เช่น Li+ ่ ถ้าเขียนสมการกลับข้าง ค่า E0 เปลียน ่ เครืองหมายเป็ นตรงกันข้าม เช่น Li+ + e Li(s) E0 = -3.05 เขียนกลับสมการ Li(s) Li+ + e- E0 = +3.05 สรุปข้อมู ลจากตารางศ ักย ์ไฟฟ้ารี ่ั ดักชนมาตรฐาน ่ ้ั • ครึงปฏิ ก ิ รย ิ านี ้ ผันกลับได้ (เป็ นได้ทงแอโนดและ ้ บว่าไปจับคู ก แคโทด) ขึนกั ่ บ ั อะไร ถ้าอยูบ ่ รรทัด บน(มากกว่า) จะเป็ นแคโทด(ร ับ e-) อยู ่บรรทัด ล่าง(น้อยกว่า)เป็ นแอโนด(ให้ e-) เรียกว่า กฎ ทแยงมุม Cu2+ (1M) + 2e- Cu(s) E0 = 0.34 Zn2+ (1M) + 2e- Zn(s) E0 = -0.76 ่ ด คือ ปฏิก ิรย ิ าทีเกิ Zn(s) Zn2+ + 2eE0 = E0cell=0.34-(0.76 Cu2++ 2e- Cu(s) 0.76)=1.1V E0 = Ex. จงทานายการเกิดปฏิก ิรย ิ า ่ ม Br2 ลงใน เมือเติ ่ NaCl และ NaI สารละลายทีมี + - ใน สลล. มี Br2 , Na , Cl , I ดู ตาราง 21.1 เรียงค่า E0 Cl2(g)+2e- 2ClE0 = +1.36 Br2(l)+2e- 2BrE0 = +1.07 E0cell=+1.07I2(s) + 2e- 2IE0 = +0.53 (+0.53) Na+ + e- Na(s) E0 = -2.71 =+0.54 สรุป anode 2I- I2(s) + 2ecathode: Br2(l)+2e- 2BrRedox: 2I-(1M) +Br2(l) I2(s) + 2Br- (1M) • • • • • • • 21 แบบฝึ กหัด Sn สามารถรีดวิ ส ์ Zn2+ ภายใต้สภาวะมาตรฐานได้หรือไม่ ดู ตาราง 21.1 เรียงค่า E0 Sn2+(aq) + 2e- Sn(s) E0= 0.14 Zn2+(aq) + 2e- Zn(s) E0= 0.76 ตามกฎทแยงมุม Sn ไม่สามารถรีดวิ ส ์ Zn2+ ได้ หรือดู วา ่ Zn2+ มีคา ่ E0= -0.76 น้อยกว่า Sn2+ ทาให้ไม่สามรถชิง e- จาก Sn ได้ แบบฝึ กหัด 21.3 จงคานวณค่า emf ของ ่ เซลล ์กัลวานิ กทีประกอบด้ วยแคดเมียม อิเล็กโทรดใน สลล. Cd(NO3)2 1M และโครม เมียมอิเล็กโทรด ใน สลล. Cr(NO3)3 1M ที่ 25oC • มี Cd กับ Cr ดู ตาราง 21.2 เรียงค่า E0 ด้วย • Cd2+ + 2e- Cd(s) E0 = -0.40 • Cr3+ + 3e- Cr(s) E0 = -0.74 • ใช้กฎทแยงมุม หรือ ดู วา ่ Cd2+ ชิง e- ได้ ้ Cd เป็ นแคโทด(รีดก ่ั ดีกว่า Cr3+ ดังนัน ั ชน) ่ั Cr เป็ นแอโนด(ออกซิเดชน) • emf = E0cat – E0an = -0.40-(-0.74) =-0.40+0.74= 0.34 V ผลของความเข้มข้นต่อค่า emf ของเซลล ์ 0 การหาค่า E ในกรณี ไม่ใช่สภาวะ cell มาตรฐาน เช่น ความเข้มข้นไม่ใช่ 1 M เรา จะใช้สมการเนิ นสท ์(Nernst Equation) ในการคานวณ ค่า E เป็ น + จึงเกิดปฏิก ิริยา ถ้าเป็ น – แสดงว่าไม่เกิด(หรือเกิดในทิศตรง ข้าม) E = E0cell– 0.0257V ln Qที่ 25oC n หรือ E = E0cell– 0.0592V log ที Q่ 25oC n ่ ายเทในปฏิก ิรย n = จานวน e- ทีถ่ ิ ารวมของ ่ Q = ผลหารปฏิก ิรย ิ า(จากเรืองสมดุ ลเคมี) E0cell = E0 Cathode - E0 Anode ่ ทบทวนเรืองค่ าผลหารปฏิก ิรย ิ า ่ (Q)ในเรืองสมดุ ลเคมี จากสมการ aA dD + bB cC + ความเข้มข้น สารละลายใช้ จะได้วา ่ หน่ วย โมล/ลิตร (M/l) แก๊สใช้ความดัน c d Q = [C] .[D] ย่อย(atm) a b [A] .[B] 25 ตย. Zn(s)+Cu2+(aq) Zn2+(aq)+Cu(s) 0.34 Cu2++ 2e- Cu(s) E0 = Zn2++ 2e- Zn(s) E0 = 0.76 เขี ยนสมการเนิ นสท ์ ดังนี ้ 0 0 EE0cell = E – E cat 0.0257V an = 0.34-(-0.76) = 1.10V– ln 2+] = 1.10[Zn V 2+] [Cu 2 เอาค่าความเข้มข้น(โมล/ลิตร หรือ atm มา ใส่แล้วคานวณ) ้ าเกิดได้เอง Ex จงทานายปฏิก ิรย ิ านี ว่ หรือไม่ท ี่ 298 K Co(s)+Fe2+(aq) Co2+(aq)+Fe(s) กาหนดให้ [Co2+]=0.15M , [Fe2+]=0.68M • Anode: Co(s) Co2+(aq)+2eE0= -0.28 • Cathode: Fe2+(aq)+2e- Fe(s) E0= -0.44 • E0cell = (-0.44)-(-0.28) = -0.16 V 2+] E =-0.16V– 0.0257V ln [Co • แทนค่าสมการเนิ นสท ์ 2+ n [Fe ] E =-0.16V– 0.0257V ln=[0.15] -0.14V [0.68] 2 27 ้ า แบบฝึ กหัด 21.6 จงทานายปฏิก ิรย ิ านี ว่ เกิดได้เองหรือไม่ท ี่ 25oC Cd(s)+Fe2+(aq) Cd2+(aq)+Fe(s) กาหนดให้ [Fe2+]=0.60M, [Cd2+]=0.010M • Anode: Cd(s) Cd2+(aq)+2eE0= -0.40 • Cathode: Fe2+(aq)+2e- Fe(s) E0= -0.44 • E0cell = -0.44-(-0.40) = -0.04 V E =-0.04V– 0.0257V ln 2+ • แทนค่ า สมการเนิ น สท ์ ] n [Fe 2+ [Cd ] E =-0.04V– 0.0257V ln= [0.60] [0.01] 2 +0.0126V แบบฝึ กหัด จงคานวณค่า emf ของเซลกัลป์ ่ วานิ ก ทีประกอบ ่ ่ ด้วยครึงเซลล ์ Cd2+/Cd และPt/H+/H2 เมือ [Cd2+]=0.2M,[H+]=0.16M,PH2=0.8 atm • Anode: Cd(s) Cd2+(aq)+2eE0= 0.40 • Cathode: 2H+(aq) +2e- H2(g) E0= 0 • Redox: Cd(s)+2H+(aq)Cd2+(aq)+H2(g) E0cell=0-(2+][H ] 0.4)=0.4V E =0.4V– 0.0257V +ln[Cd 2 2 [H์ ] • แทนค่าสมการเนิ n นสท E =0.4V– 0.0257V ln [0.2][0.8] = 2 [0.16]2 +0.376V 29 เซลล ์ความเข้มข้น จะใช้สารชนิ ดเดียวกัน/ไอออนเดียวกัน ่ มาทาเซลล ์กัลวานิ ก เพือให้ กระแสไฟฟ้า ก็ได้ แต่ตอ ้ งให้ความเข้มข้นไอออนต่างกัน จึง ้ จะมีความต่างศ ักย ์ไฟฟ้าเกิดขึนได้ ้ ยกว่า “เซลล ์ความ เซลล ์ชนิ ดนี เรี เข้มข้น” เช่น Zn(s)/Zn2+(0.1M)//Zn2+(1M)/Zn(s) Zn(s)/Zn2+(0.1M)//Zn2+(1M)/Zn(s) Anode: Zn(s) Zn2+(0.1M) + 2e Cathode: Zn2+(1M)+2e- Zn(s) Redox: Zn2+(1M) Zn2+0 (0.1M) E =E cell– 0.0257V ln 2+ [Zn ค่า2+ emf ของ cell เท่ า]กัconc บ n [Zn ] dil E = 0 – 0.0257V ln = [0.1] 2 [1] +0.0296V 31 เซลล ์ชีวภาพ คือ เซลล ์ความเข้มข้น นั่นเอง • ศ ักย ์ไฟฟ้าของ mambrane คือ ่ ดขึนทั ้ ง้ 2 ด้านของเมม ศ ักย ์ไฟฟ้าทีเกิ เบรนชนิ ดต่างๆของเซลล ์ • ศ ักย ์ของเซลล ์ทาให้เกิดการแพร่ขยาย ของสัญญาณประสาทและการเต้นของ 32 การฝึ ก หลายระดับ หลายหลักสู ตร ของ สถาบันทหาร-ตารวจ ในหลายๆประเทศ ไม่เฉพาะแต่ประเทศไทย ่ ผูร้ ับการฝึ ก มักจะมีส่วนใดส่วนหนึ่ งทีให้ ่ ขาดน้ า มากน้อยแตกต่างกัน ซึงจะ ่ เชือมโยงถึ งการเสียเกลือแร่ดว้ ย ก็คงจะมีประโยชน์ และได้ฝึกการปร ับตัว ฝึ ก ้ ฝ ความอดทนได้บา้ ง แต่ ทังผู ้ ึ ก และผู ร้ ับ การฝึ ก มีความรู ้เพียงพอหรือไม่ ได้ร ับ คาแนะนาเพียงพอหรือไม่ มีความรอบคอบ ่ เฝ้าระวัง ตรวจสอบการเปลียนแปลงและ สัญญานอน ั ตรายต่างๆของร่างกายได้ ทหาร-ตารวจ หลายคนมี "หัวจิตหัวใจ" ที่ แข็งแกร่งกว่า ขีดจากัดของร่างกาย เขาไม่มวี น ั จะยอม แพ้ เขาไม่มวี น ั จะขอพักขอทุเลาการฝึ ก เขาไม่มวี น ั จะออกนอกแถว เขาไม่มวี น ั จะ ้ อนหรื ่ ้ ่ ร ับมอบหมาย ทิงเพื อทิงภารกิ จทีได้ ้ คนแล้ว เราได้ยน ิ ข่าวสู ญเสียคนพวกนี ไป ่ กหนาสาหัส คนเล่า ในบางหลักสู ตรทีหนั ้ ทังในประเทศและต่ างประเทศ จากการขาด น้ าและขาดเกลือแร่ ่ หลาย สถาบันพยายามทีจะลดความสู ญเสีย ตรงจุดนี ้ โดยการ ศึกษา ติดตามความรู ้ ่ ด้านวิทยาศาสตร ์การกีฬาทีเกียวข้ อง และ 34 ่ เหตุผลทีขาดสมดุ ลเกลือแร่แล้ว เสียชีวต ิ ได้ ่ าเป็ นต่อร่างกายมาก ที่ • เกลือแร่ เป็ นสิงจ สาคัญก็ม ี โซเดียม โปตัสเซียม และแค ่ การทางานของกล้ามเนื อทุ ้ กส่วน ลเซียม ่ จะต้องมีกระบวนการแลกเปลียนสารเหล่ านี ้ เข้าๆออกๆเซลล ์ต่างๆของร่างกายรวมทัง้ ้ วใจ เซลล ์กล้ามเนื อหั ่ • แคลเซียมก็ สาคัญมาก ขาดนิ ดขาดหน่ อย หัวใจจะเต้นไม่ปกติ แต่โชคดีทร่ ี่ างกายมีแค ่ ลเซียมสะสมอยู ่มากในกระดู ก พอจะ หมุนเวียนมาสนับสนุ นได้ ข้อมู ลจาก tosapol http://www.afaps.ac.th/forum/index.php?to ่ เหตุผลทีขาดสมดุ ลเกลือแร่แล้ว เสียชีวต ิ ได้ โซเดียม ก็สาคัญ แต่มป ี ริมาณในเลือดสู ง กว่าโปตัสเซียม ขาดไปบ้างก็ยงั พอมีเวลา ปร ับตัวไหว เช่นมี ๑๔๐ ขาดไป ๑๐ ก็ยงั เหลือ ๑๓๐ คิดเป็ นเปอร ์เซนต ์ก็ไม่มากนัก แต่โปตัสเซียม มีแค่ระด ับหลักหน่ วย สมมุต ิ ว่ามี ๔ ถ้าขาดไป ๑ เหลือ ๓ เท่ากับว่าขาดไป ถึง ๒๕ เปอร ์เซ็นต ์ การขาดโปตัสเซียมทาให้หวั ใจเต้นผิดจังหวะ และหยุดเต้นได้ การออกกาลังกายหนัก มีเหงื่อออกมาก จะ เสีย โซเดี ย มได้ ม าก http://www.afaps.ac.th/forum/index.php?topic=7.60 แหล่งอาหารโปแตสเซียม ่ กระจายอยู ่ในอาหารทัวไปตามธรรมชาติ ้ ทังในพื ช สัตว ์ เช่น ในถัว่ ธ ัญพืช ผักใบ ้ ตว ์ต่างๆ ผลไม้ตา เขียว เนื อสั ่ งๆ เช่น ส้ม กล้วย ลู กพรุน ่ ่ในอาหารจะอยู ่ในรู ป โปแตสเซียมทีอยู ่ ้ าได้ด ี เกลือหรือสารประกอบทีละลายน ่ ้า หลักการดืมน ข้อมู ลวิจย ั พบว่า หลังออกกาลังกายแล้ว ให้ดมน ื่ ้ า ่ ้ าไป ประมาณ สามใน พบว่า แต่ละคนดืมน ่ วน ของปริมาณน้ า(เหงื่อ)ทีเสี ่ ยไป สีส่ ้ ก็จะพึงพอใจ รู ้สึกสดชืน ่ หาย เท่านัน กระหายน้ า ้ เมือเล่ ่ นกีฬา หรือ ออกกาลังกายใดๆ ดังนัน ่ ้ าไปสามแก้ว แล้วรู ้สึกว่า แล้ว หากเราดืมน ่ พอเพียง หายกระหายแล้ว แสดงว่า สดชืน ร่างกายเรายังขาดน้ าอีกประมาณหนึ่ งแก้ว ่ ให้ดมเพิ ื่ มไปอี ก 1 แก้ว ให้เพียงพอกับ เราต้องทดแทนเกลือแร่มากน้อย แค่ ไ หน ่ ่ งแรงดี มักจะมี โดยทัวไป คนปกติ ทีแข็ ปริมาณเกลือแร่ทจ ี่ าเป็ นสารองอยู ่ในระบบ ต่างๆของร่างกายอย่างพอเพียง โดยไม่ตอ ้ ง ่ ทดแทนเพิมเติ มเป็ นพิเศษใดๆ หากออก กาลังกายหนักปานกลาง เป็ นเวลาประมาณ ่ั ่ หนึ่ งชวโมง ๔๕ นาที ถึง ๑ ชม. หรือเต็มทีก็ ่ นเกณฑ ์ทีคนทั ่ ่ ครึง่ ซึงเป็ วๆไปเล่ นกีฬา หรือ ่ ขภาพกันโดยทัวไป ่ ออกกาลังกายเพือสุ ่ แต่ในการเล่นกีฬาหนักๆเพือการแข่ งขัน หรือการฝึ กต่างๆ ในระบบของทหาร-ตารวจ ่ าวไว้ จะมีความหนัก ความนาน มากกว่าทีกล่ ่ คอ ื เสียน้ าและ แล้ว มักจะมีการเสียเหงื่อ(ซึงก็ ่ าเป็ นจะต้องได้ร ับ เกลือแร่) มากจนถึงจุดทีจ แบตเตอรี่ แบตเตอรี่ เป็ นเซลล ์กัลป์ วานิ ก หรือ ่ อกันแล้ว อนุ กรมของเซลล ์กัลป์ วานิ ก ทีต่ สามารถใช้เป็ นแหล่งไฟฟ้าได้ ่ ดเซลล ์แห้ง(dry cell แบตเตอรีชนิ battery) คือ เซลล ์เลดลังเช่ ใช้ในกระบอกไฟฉาย ,วิทยุ แอโนด คือ กระบอก ่ มผัสอยู ่กบ สังกะสี ทีสั ั MnO2 และ อิเล็กโทรไลต ์ (NH4Cl,ZnCl2ในน้ า) มีศ ักย ์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 V ่ แบตเตอรีปรอท ใช้มากในอุตสาหกรรม การแพทย ์และ อิเล็กทรอนิ กส ์ ราคาสู งกว่าเซลล ์แห้ง บรรจุในกระบอกเหล็กกล้า ไร ้สนิ ม Zn(Hg)+HgO(s)ZnO )+Hg(l) ให้ศ ักย ์ไฟฟ้า 1.35V คงท ่ แบตเตอรีตะกั ว่ มี 6 เซลล ์ ให้ กระแสไฟฟ้าเซลล ์ ละ 2 V รวม 12V สามารถชาร ์จ ใหม่ได้ เกิดปฏิก ิรย ิ า ย้อPbSO นกลับ4ได้ Anode: Pb(s)+SO42-(aq) (s)+2eCat: PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2ePbSO4(s)+2H2O(l) Redox: ่ ่ ข้อควรทราบเกียวกับแบตเตอรี ปฏิก ิรย ิ าเคมีไฟฟ้าในแบตเตอรี่ ใช้ ้ ระดับการปล่อยประจุ กรดซ ัลฟุ ริก ดังนัน ไฟฟ้าของแบตเตอรี่ สามารถตรวจสอบได้ โดยการวัดค่าความหนาแน่ นของอิเล็ก โทรไลต ์(กรดซ ัลฟุ ริก) ด้วยไฮโดรมิเตอร ์ ควรมีคา ่ เทากับ หรือมากกว่า 1.2 g/mg ้ อากาศหนาวเย็ ่ ในพืนที น จะสตาร ์ทรถติด ยาก เนื่ องจาก ความหนื ดของอิเล็กโทร ่ น ้ ไอออนเคลือนที ่ ่ ชา้ มาก ไลท ์เพิมขึ ได้ ่ ทาให้กาลังไฟฟ้าของแบตเตอรีลดลง ่ เทียมไอออน แบตเตอรีลิ ่ ่ ด นน. ใช้ Li ซึงให้ e-ง่ ายทีสุ ่ ด เบาทีสุ Recharge ใหม่ได้ หลายร ้อย ครง้ั ใช้กบ ั Notebook,มือถือ, กล้องดิจท ิ ล ั Anode: Li(s)Li+ + e Cathode:Li++CoO2 +eLiCoO2(s) ้ เซลล ์เชือเพลิ ง (fuel cell) เป็ นเซลล ์กัลวานิ กที่ ้ น ต้องป้ อนสารตังต้ อย่างต่อเนื่ องให้ สามารถทางานได้ ้ ง H 2 เช่น เชือเพลิ O2ใช้งานในยาน อวกาศ ได้น้ ามาให้ นักบินอวกาศบริโภค Anode: 2H2(g) + 4OH-(aq) 4H2O(l) + 4eCathode: O2(g) + 2H2O(l) +4e- การกัดกร่อน(Corrosion) ่ เป็ นการเสือมสภาพของโลหะโดย กระบวนการเคมีไฟฟ้า การเกิดสนิ ม ก่อให้เกิดการสู ญเสีย งป.ทร. ในการซ่อมบารุงเรือรบ เป็ นวงเงินจานวน มาก H+มาจาก CO2 กับ น้ า เกิดเป็ น กรด H2CO3 Anode: Fe(s) Fe2+(aq)+2eE0= 0.44V Cathode: O2(g)+4H+(aq)+4e-2H2O(l) E0= 1.23V Redox: 2Fe(s)+O2(g)+4H+(aq) 2Fe2+(aq)+ 2H2O(l) E0 =1.23-(-0.44) = 1.67V 48 Fe2+ ถู กออกซิไดส ์ต่อด้วย O2 เป็ น Fe2O3.xH2O 4Fe2+(aq)+O2(g)+(4+2x)H2O(l) 2Fe2O3.xH2O(s)+8H+(aq) Fe2O3.xH2O คือ สนิ มเหล็ก มีความพรุน ทาให้น้ าและออกซิเจนเข้าทา ปฏิก ิรย ิ าต่อได้ ้ เมือเกิ ่ ดสนิ มแล้ว ดังนัน จะผุกร่อนต่ออย่างรวดเร็ว สนิ มของอะลู มเิ นี ยม(ออกไซด ์ของ อะลู มเิ นี ยม) Al เกิดออกไซด ์ได้ง่ายกว่าเหล็ก(เสีย eง่ ายกว่า) แต่ลก ั ษณะออกไซด ์ (Al2O3) ไม่ละลาย น้ า จึง ทาหน้าทีป้่ องกันผิวอะลู มเิ นี ยมที่ ทองแดงและเงินก็เกิดการกัดกร่อนได้ แต่ชา้ กว่าเหล็ก Cu เกิดเป็ น CuCO3 (สารสีเขียวแพทินา) ป้ องกันผิวทองแดง Ag เกิด Ag2S ป้ องกันผิวเงินเช่นกัน การป้ องกันการผุกร่อนของโลหะ ใช้สเี คลือบผิว การซ่อมทาสีตวั เรือใต้แนวน้ า การซ่อมทาสีตวั เรือเหนื อแนวน้ า การป้ องกันการผุกร่อนของโลหะ การทาให้ผวิ โลหะไม่ว่องไวปฏิก ิรย ิ าด้วย กระบวนการ passivation คือ การทา ่ ปฏิก ิรย ิ ากับตัวออกซิไดส ์ทีแรง เช่น กรดไน ้ั ตริก ทาให้เกิดชนออกไซด ์บางๆ เคลือบผิว การป้ องกันการผุกร่อนของโลหะ การทาให้เป็ นโลหะผสม หรือ อ ัลลอย เช่น เหล็กกล้าไร ้สนิ ม (โลหะผสมของเหล็กกับ โครเมียม) การเคลือบผิวเหล็กด้วยดีบุก หรือ สังกะสี 0 E จงใช้คา ่ อธิบายว่าเมือเกิดรอย ขีดข่วนบนโลหะต่อไปนี ้ ข้อใด เหล็กจะผุกร่อนเร็วกว่า ่ (a) เหล็กทีเคลื อบดีบุก (b) เหล็กเคลือบสังกะสี ่ (a) เหล็กทีเคลื อบดีบุก ่ ดรอยขีดข่วนบนโลหะ • เมือเกิ ้ เพราะ Sn มีศ ักย ์ไฟฟ้ารี • เหล็กผุเร็วขึน ่ั ดักชนมากกว่ า Fe จึงชิง e- จากเหล็กได้ • Anode: Fe Fe2++2eE0=0.44V • Cathode: Sn2++2e- Sn E0=0.14V • E0cell = (-0.14)-(-0.44) = 0.30 V (b)เหล็กเคลือบสังกะสี ่ ดรอยขีดข่วนบนโลหะ เมือเกิ เหล็กผุชา้ กว่า เพราะ Zn มีศ ักย ์ไฟฟ้ารี ่ ั ากว่ ่ ดักชนต า Fe จึงเสีย e- แทนเหล็กได้ Anode: Zn Zn2++2eE0=0.76V Cathode: Fe2++2e- Fe E0=0.44V E0cell = (-0.44)-(-0.76) = 0.32 V การป้ องกันการผุกร่อนของโลหะแบบ แคโทดิก Cathodic protection : ทาโดยให้โลหะที่ ต้องการป้ องกันเป็ นแคโทด โดยเอาโลหะอีก ่ คา ่ ่ E0 ตากว่ าเป็ นแอโนด (เสีย eชนิ ดทีมี แทน) เช่น Zinc anode หรือสังกะสีกน ั ่ การแยกสลายด้วยไฟฟ้า (electrolysis) การแยกสลายด้วย ไฟฟ้า เป็ นกระบวนการ ่ พลังงานไฟฟ้าทา ทีใช้ ให้เกิดปฏิก ิรย ิ าเคมี เซลล ์อิเล็กโทรไลต ์ การแยกโซเดียมคลอไรด ์ด้วเป็ย นอุปกรณ์สาหร ับการ แยกสลายด้วยไฟฟ้า ไฟฟ้า ้ ขัวบวก(oxidation) Anode: 2ClCl2(g)+2e้ ขัวลบ(reduction) Cathode: 2Na+ + 2e 2Na(l) การแยกสลายน้ าด้วยไฟฟ้า ่ ว+(oxidation,anode) ้ ได้ O2ทีขั ่ วลบ ้ ได้ H2ทีขั การแยกสลายสารละลาย NaCl ในน้ าด้วย ไฟฟ้า ้ น้ ามาเกียวข้ ่ กรณี นีมี องด้วย ต้องพิจารณา ค่า E0 เทียบกับของน้ าว่าจะแยกได้สารอะไรที่ แอโนดและแคโทด ่ ่ ปฏิก ิรย ิ าทีอาจเกิ ดทีแอโนด คือ (1) 2Cl-(aq) Cl2(g) + 2eE0 = (1.36) (2) 2H2O(l) O2(g)+4H+(aq)+4e- E0 = -(1.23) ่ ั (2)>(1) ค่า E0 ของปฏิก ิรย ิ าออกซิเดชน แสดงว่า (2) มีโอกาสเกิดมากกว่า (1) แต่วา ่ ในการทดลองกลับเกิด (1) เพราะ E0 มีคา ่ การแยกสลายสารละลาย NaCl ในน้ า ด้วยไฟฟ้า ่ ่ คือ ดทีแคโทด ปฏิก ิรย ิ าทีอาจเกิ (3) 2H2O(l)+2e-H2(g)+2OH-(aq) E0 = -0.83 (4) Na+(aq) +e- Na(s) E0= -2.71 ่ ั (3)>(4) แสดง ค่า E0 ของปฏิก ิรย ิ ารีดก ั ชน ่ ด ว่า (3) มีโอกาสเกิดมากทีสุ การแยกสลายสารละลาย NaCl ใน น้ าด้วยไฟฟ้า ่ ดจริง ปฏิก ิรย ิ าทีเกิ คือ Anode: (1) 2Cl-(aq) Cl2(g) + 2e- Cathode:(4) 2H2O(l)+2e-H2(g)+2OH(aq) 63 สรุป การแยกสลายด้วยไฟฟ้า ถ้าเป็ นสารหลอมเหลว เช่น NaCl หลอมเหลว ้ ่ วลบ คือ อิออนบวก(Na+) จะร ับ e- ทีขั แคโทด ่ วบวก ้ อิออนลบ(Cl-) จะให้ e- ทีขั คือ แอโนด ่ ถ้าเป็ นสารละลายจะมีน้ าเข้ามาเกียวด้ วย ต้องเปรียบเทียบค่า E0 กับน้ าว่าตัวไหน แรงกว่า จะเกิดปฏิก ิรย ิ า แบบฝึ กหัด หากเราแยกสลายสารละลาย ่ ่ ดทีแอโนด CuSO4 ในน้ า ผลิตภัณฑ ์ทีเกิ และแคโทดคืออะไร • กาหนดค่า E0 ดังนี ้ O2(g)+4H+(aq)+4e- 2H2O(l) E0 = +1.23 S2O82-+2e- SO42-(aq) E0 = +2.01 Cu2+(aq)+2e- 2Cu(s) E0 = +0.34 2H2O(l)+2e- H2(g)+2OH-(aq) E0 แบบฝึ กหัด หากเราแยกสลายสารละลาย ่ ดทีแอโนด ่ CuSO4 ในน้ า ผลิตภัณฑ ์ทีเกิ และแคโทดคืออะไร CuSO4 แตกตัวให้ Cu2+ กับ SO42 ที่ Anode อาจเกิดปฏิก ิรย ิ าต่อไปนี ้ (1) 2H2O(l) O2(g)+4H+(aq)+4e- E0 = (1.23) (2) SO42-(aq) S2O82-+2eE0 = (2.01) ่ ทีแอโนด ค่า E0 (1)>(2) เกิด (1) ที่ Cathode อาจเกิดปฏิก ิรย ิ าต่อไปนี ้ (3) Cu2+(aq)+2e- 2Cu(s) E0 = +0.34 (4) 2H2O(l)+2e-H2(g)+2OH-(aq) E0 =