วันพุธที่ 23 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2554

เซลล์แกลแวนิกและเซลล์อิเล็กโทรไลต์

เซลล์แกลแวนิก
เซลล์อิเล็กโทรไลต ์
1. จากปฏิกิริยาเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า 1. จากพลังงานไฟฟ้าเป็นปฏิกิริยาเคมี
2. เป็นปฏิกิริยาที่สามารถเกิดขึ้นได้เอง 2. เป็นปฏิกิริยาที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เอง ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าทำให้เกิดปฏิกิริยา
3. ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เป็นบวกเสมอ 3. ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เป็นลบ
4. ขั้วแอโนดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเป็นขั้วลบ
ขั้วแคโทดเกิดปฏิกิริยารีดักชันเป็นขั้วบวก
4. ขั้วแอโนดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเป็นขั้วบวก
ขั้วแคโทดเกิดปฏิกิริยารีดักชันเป็นขั้วลบ

เซลล์อิเล็กโทรไลต์

เซลล์อิเล็กโทรไลต์
           เมื่อผ่านไฟฟ้าเข้าไปในเซลล์ที่ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองขั้วจุ่มอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ จะเกิดปฏิกิริยาเกิดขึ้นภายในเซลล์ เรียกกระบวนการนี้ว่า อิเล็กโทรลิซิส ( electrolysis ) และเรียกเซลล์ไฟฟ้าเคมีนี้ว่า เซลล์อิเล็กโทรไลต ์ ดังรูป

           ในการพิจารณาขั้วบวก/ขั้วลบจะพิจารณาจากปริมาณอิเล็กตรอนว่ามีมากหรือน้อย
-  เซลล์แกลแวนิก ขั้วที่เกิดออกซิเดชันมีอิเล็กตรอนสะสม(จากภายใน) จึงเป็นขั้วลบ
-  เซลล์แกลแวนิก ขั้วที่เกิดรีดักชันมีอิเล็กตรอนสะสม(จากภายนอก) จึงเป็นขั้วลบ
           ในเมื่อแบตเตอรี่เป็นตัวจ่ายกระแสไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ออกจากขั้วแอโนด (ขั้วลบ) ของแบตเตอรี่ผ่านลวดตัวนำไปยังขั้วไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นขั้วไฟฟ้าที่ต่อกับขั้วลบของแบตเตอรี่จะเป็นขั้วแคโทด เพราะเป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน และเนื่องจากต่อกับขั้วลบ ขั้วไฟฟ้านี้จึงเป็นขั้วลบ ส่วนขั้วไฟฟ้าอีกขั้วหนึ่งเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันจึงเป็นขั้วแอโนด และต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่จึงเป็นขั้วบวก อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกจากขั้วแอโนดของเซลล์เข้าสู่แบตเตอรี่

ประโยชน์ของเซลล์อิเล็กโทรไลต์
การชุบโลหะ
การชุบช้อนโลหะด้วยเงิน        
หลักการของการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า คือ ต้องให้โลหะชนิดหนึ่งมาเคลือบบนโลหะอีกชนิดหนึ่งที่อยู่เป็นแคโทด โดยจัดเซลล์ดังนี้ขั้วแอโนด: โลหะที่ใช้ชุบ
ขั้วแคโทด: โลหะที่ต้องการชุบ
สารละลายอิเล็กโทรไลต์: โลหะไอออนของโลหะที่เป็นแอโนด
ไฟฟ้า: กระแสตรง

จากรูป การชุบช้อนโลหะด้วยเงิน ต้องใช้เงินเป็นแอโนด ช้อนโลหะเป็นแคโทด และใช้สารละลายซิลเวอร์ไนเตรตเป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์
                ขั้วแอโนด: Ag:            Ag(s) Ag +(aq) + e -
               ขั้วแคโทด: ช้อน:          Ag +(aq) + e -Ag(s)

เซลล์ทุติยภูมิ ต่อ

        เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม ปัจจุบันมีเซลล์ทุติยภูมิที่ได้รับความสนใจมากอีกชนิดหนึ่งคือ เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม หรือเซลล์นิแคด ซึ่งมีโลหะแคดเมียมเป็นแอโนด นิกเกิล (IV) ออกไซด์เป็นแคโทด และมีสารละลายเบสเป็นอิเล็กโทรไลต์ ปฏิกิริยาเกิดขึ้นดังนี้

ที่แอโนด : Cd(s) + 2OH-(aq) Cd(OH)2(s) + 2e-

ที่แคโทด : NiO2(s) + 2H2O(l) Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)

เซลล์นิแคดให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.4 โวลต์ และมีขนาดเล็ก สามารถอัดไฟใหม่ได้ และใช้ได้ทนทานกว่าเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว จึงนิยมใช้ในเครื่องไฟฟ้าที่มีขนาดเล็ก เช่น เครื่องโกนหนวด เครื่องคิดเลข กล้องถ่ายรูป



 

เซลล์โซเดียม–ซัลเฟอร์ ใช้โซเดียมเหลวเป็นแอโนด และกำมะถันเหลว (ผสมผงแกรไฟต์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการนำไฟฟ้า) เป็นแคโทด มีบีตาอะลูมินาของผสมของออกไซด์ของโลหะ(Al , Mg , Na) ที่ยอมให้ Na+ เคลื่อนที่ผ่านได้เป็นอิเล็กโทรไลต์ ระหว่างครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชันกับครึ่งปฏิกิริยารีดักชันคั่นด้วยเซรามิกที่มีรูพรุนเล็ก ๆ เพื่อให้โซเดียมไอออนผ่าน ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าเป็นดังนี้
แอโนด :                                                                   2Na (l)    ®     2Na+(aq)   +   2e
แคโทด :                                                      S8(l)   +   2e    ®     n S2–(l)
ปฏิกิริยารวม :                                            2Na(s)   +   S8(l)    ®     Na2 Sn(l)

เซลล์สะสมไฟฟ้าชนิดนี้ให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 2.1 V และสามารถเปลี่ยนผลิตภัณฑ์กลับมาเป็นสารตั้งต้นได้โดยการประจุหรืออัดไฟเช่นเดียวกับเซลล์ทุติยภูมิชนิดอื่น มีอายุการใช้งานนานกว่าเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบ แต่ต้องควบคุมอุณหภูมิของเซลล์ให้ได้ประมาณ 250OC เพื่อทำให้สารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์อยู่ในสภาพหลอมเหลว

เซลล์ทุติยภูมิ

เซลล์ทุติยภูมิ
เนื่องจากเซลล์ปฐมภูมิมีข้อจำกัดคือ เมื่อจ่ายไฟหมดแล้วไม่สามารถนำมาอัดไฟใหม่ได้อีก จึงมีผู้คิดสร้างเซลล์ไฟฟ้าชนิดที่เมื่อจ่ายไฟหมดแล้วสามารถนำกลับมาอัดไฟใช้ใหม่ได้ ซึ่งเรียกว่า เซลล์ทุติยภูมิ ตัวอย่างเซลล์ทุติยภูมิที่พบอยู่เสมอ เช่น เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วและเซลล์นิเกิล-แคดเมียม
เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เป็นเซลล์ทุติยภูมิที่ใช้กันมาก เช่น เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าในรถยนต์ที่เรียกว่า แบตเตอรี่ การสร้างเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วทำได้โดยจุ่มแผ่นตะกั่วสองแผ่นลงในสารละลายกรด H2SO4 แล้วต่อเข้ากับแบตเตอรี่ อิเล็กตรอนจากขั้วลบของแบตเตอรี่จะเคลื่อนที่ไปยังขั้ว B ไฮโดรเจนไอออนในสารละลายจะรับอิเล็กตรอนได้เป็นก๊าซไฮโดรเจนเกิดขึ้นที่ขั้วนั้น โดยแผ่นตะกั่วที่เป็นขั้ว B ไม่มีการเปลี่ยนแปลง ส่วนที่ขั้ว A ซึ่งต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่ แผ่นตะกั่วส่วนที่จุ่มอยู่ในสารละลายจะถูกออกซิไดซ์เป็น PbO2 ซึ่งมีสีน้ำตาลเข้มเกาะอยู่บนแผ่นตะกั่ว การทำเช่นนี้เรียกว่า การอัดไฟครั้งแรกของเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

การต่อเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว
เมื่อนำเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วซึ่งอัดไฟแล้วไปต่อกับหลอดไฟตามรูป ก. อีกครั้งหนึ่ง จะเห็นว่าหลอดไฟสว่าง เราเรียกว่าเป็นการจ่ายไฟ ซึ่งจะเกิดการเปลี่ยนแปลงดังนี้

ที่ขั้ว A PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O(l)

ที่ขั้ว B Pb(s) + SO42-(aq) PbSO4(s) + 2e-

ขณะที่เซลล์จ่ายกระแสไฟฟ้า ที่ขั้ว A และขั้ว B จะมี PbSO4 เกิดเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดทั้งสองขั้วมีแต่ PbSO4 เหมือนกัน แบตเตอรี่จะไม่สามารถจ่ายไฟต่อไปได้อีก เมื่อนำไปอัดไฟอีกครั้ง ที่ขั้ว A และขั้ว B จะเกิดการเปลี่ยนแปลงในทิศทางตรงข้ามกับการจ่ายไฟดังนี้

ที่ขั้ว A PbSO4(s) + 2H2O(l) PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e-

ที่ขั้ว B PbSO4(s) + 2e- Pb(s) + SO42-(aq)

เซลล์ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 2 โวลต์ เมื่อนำหลายๆ เซลล์มาต่อกันแบบอนุกรม ก็จะได้แบตเตอรี่ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้น เช่น แบตเตอรี่รถยนต์ ซึ่งมีจำนวนเซลล์ต่ออนุกรมกัน 6 เซลล์ จะมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ 12 โวลต์

เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วเมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าหมดแล้ว สามารถนำไปอัดไฟได้อีก หลายคนอาจคิดว่าแบตเตอรี่ที่ใช้กับรถยนต์ควรใช้ได้ตลอดไป แต่ความเป็นจริงแบตเตอรี่จะมีอายุการใช้งานระยะหนึ่งเท่านั้น ทั้งนี้เนื่องจาก PbSO4 ที่เกิดขึ้นขณะจ่ายไฟอาจหลุดออกมา แผ่นตะกั่วตกอยู่ที่ก้นภาชนะ ทำให้แผ่นตะกั่วสึกกร่อนไปเรื่อยๆ และแบตเตอรี่จะเสื่อมสภาพในที่สุด


 


เซลล์ปฐมภูมิ ต่อ

      5. เซลล์เชื้อเพลิง  เป็นเซลล์ปฐมภูมิที่ต้องผ่านสารตั้งต้นซึ่งเป็นเชื้อเพลิงเข้าไปที่ขั้วแอโนดและแคโทดตลอดเวลา  เช่น
                    
            1) เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน–ออกซิเจน
                         
เป็นที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนและแก๊สออกซิเจนผ่านเข้าไปในช่องแอโนดและช่องแคโทดตามลำดับ ใช้โซเดียมคาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์ ขั้วแอโนดใช้แกรไฟต์ผสมนิกเกิล ขั้วแคโทดใช้แกรไฟต์ผสมนิเกิลและนิกเกิล (II) ออกไซด์ เพื่อช่วยเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วไฟฟ้า ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้
แอโนด :                                H2(g)  +  CO32–(l)        ®     H2O(l)   +   CO2   +   2e
แคโทด :                   O2(g)  +  CO2(g)   +   2e        ®     CO32–(l)
ปฏิกิริยารวม :                            2H2(g)   +   O2(g)        ®     2H2O(g)

กรณีที่ใช้สารละลาย NaOH หรือ KOH เป็นอิเล็กโทรไลต์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้
แอโนด :                               H2(g)  +  2OH(aq)        ®     H2O(l)   +   CO2   +   2e
แคโทด :                   O2(g)  +  CO2(g)   +   2e        ®     CO32–(l)
ปฏิกิริยารวม :                           H2(g)   +   O2(g)        ®     H2O(g)
หรือ :                                     2H2(g)   +   O2(g)        ®     2H2O(g)
เซลล์ชนิดนี้ให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.2 V มีราคาแพงมาก ไม่ใช้กับอุปกรณ์เครื่องมือในชีวิตประจำวัน ส่วนมากใช้กับเรือดำน้ำ ยานพาหนะทางทหารและในกระสวยอวกาศ

     

 
                   2) เซลล์เชื้อเพลิงโพรเพน–ออกซิเจน
ใช้แก๊สโพรเพนผ่านเข้าไปในช่องแอโนด แก๊สออกซิเจนผ่านเข้าไปในช่องแคโทด มีสารละลายกรดซัลฟิวริกเป็นอิเล็กโทรไลต์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เป็นดังนี้
แอโนด :                             C3H8(g)   +   6H2O(l)        ®     3CO2(g)   +   20H+(aq)   +   20e
แคโทด :             5O2(g)   +   20H+(aq)   +   20e        ®     10H2O(g)
ปฏิกิริยารวม :                         C3H8(g)   +   5O2(g)        ®     3CO2(g)   +   4H2O(g)
ปฏิกิริยาในเซลล์นี้เหมือนกับปฏิกิริยาการสันดาปของแก๊สโพรเพนในเครื่องยนต์ แต่ให้ประสิทธิภาพสูงกว่าประมาณ 2 เท่าของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

เซลล์เชื้อเพลิงอื่น ๆ เช่น ใช้แก๊ส NH3 หรือแก๊ส CH4 หรือไฮดราซีน (N2H4) ทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจน

เซลล์ปฐมภูมิ

มีหลากหลายชนิด เช่น
             
                     1. เซลล์แห้ง (Dry Cell) หรือเซลล์เลอคลังเช (LeClanche Cell)
           เป็นเซลล์แห้ง เพราะไม่ได้ใช้ของเหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์    ใช้ในไฟฉาย  วิทยุ เครื่องคิดเลข
     
ส่วนประกอบของเซลล์แห้ง
          กล่องของเซลล์ทำด้วยโลหะสังกะสีเป็นขั้วแอโนด (ขั้วลบ)แท่งคาร์บอนหรือแกรไฟต์อยู่ตรงกลางเป็นขั้วแคโทด (ขั้วบวก) ระหว่างอิเล็กโตรดทั้งสองบรรจุด้วยของผสมชื้นของแอมโมเนียมคลอไรด์ (NH4Cl) แมงกานีส (IV) ออกไซด์ (MnO2) ซิงค์คลอไรด์ (ZnCl2) ผงคาร์บอน ตอนบนของเซลล์ผนึกด้วยวัสดุที่สามารถรักษาความชื้นภายในเซลล์ให้คงที่ มีปฏิกิริยาเกิดขึ้นดังนี้
ที่ขั้วแอโนด (Zn-ขั้วลบ) Zn ถูกออกซิไดซ์กลายเป็น Zn2+
Zn(s) Zn2+(aq) + 2e-
          ที่ขั้วแคโทด (C-ขั้วบวก) MnO2จะถูกรีดิวซ์ ไปเป็น Mn2O3
2MnO2(s) + 2NH4++(aq) + 2e- Mn2O3(s) + H2O(l) + 2NH3 (aq)
          ดังนั้นปฏิกิริยารวมจึงเป็น
Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) Zn2+(aq) + Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(l)
          แก๊ส NH3 ที่เกิดขึ้นจะเข้าทำปฏิกิริยากับ 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) และเนื่องจากใช้สารละลายเบสนี่เองเซลล์ชนิดนี้จึงถูกเรียกว่า เซลล์แอลคาไลน์
          ที่ขั้วแอโนด (Zn-ขั้วลบ)   Zn ถูกออกซิไดซ์
                    Zn(s) + 2OH-(aq) ZnO(s) + H2O(l) + 2e-
          ที่ขั้วแคโทด (C-ขั้วบวก)   MnO2จะถูกรีดิวซ์ ไปเป็น Mn2O3
                    2MnO2(s) + H2O(l) + 2e- Mn2O3(s) + 2OH-(aq)
          สมการรวม           Zn(s) + 2MnO2(s) ZnO(s) + Mn2O3(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) ZnO(s) + H2O(l) + 2e-
          ที่ขั้วแคโทด           HgO(s) + H2O(l) + 2e- Hg(l) + 2OH-(aq)
          ปฏิกิริยารวม           Zn(s) + HgO(s) ZnO(s) + Hg(l)

             4.เซลล์เงิน มีส่วนประกอบเช่นเดียวกับเซลล์ปรอท แต่ใช้สารประกอบซิลเวอร์ออกไซด์แทนเมอร์คิวรี (II) ออกไซด์

เขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ได้ดังนี้

ที่แอโนด : Zn(s) + 2OH-(aq) ZnO(s) + H2O(l) + 2e-
ที่แคโทด : Ag2O(s) + H2O(l) + 2e- 2Ag(s) + 2OH-(aq)

สมการรวม Zn(s) + Ag2O(s) ZnO(s) + 2Ag(s)

เซลล์เงินให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ มีขนาดเล็ก แต่ราคาแพง

 

วันอังคารที่ 22 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2554

เซลล์กัลวานิกแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด

1 เซลล์ปฐมภูมิ       2ทุติยภูมิ

เซลล์ปฐมภูมิ    
            คือเซลล์กัลวานิกที่ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ ไม่สามารถเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ กลับมาเป็นสารตั้งต้นได้ คือ ใช้แล้วหมดไปไม่สามารถนำกลับมาใช้ได้อีก 

เซลล์ทุติยภูมิ   
            คือเซลล์กัลวานิกที่เมื่อนำไปใช้แล้วสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้โดยการอัดไฟ หรือประจุไฟ แล้วจึงสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้

ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์

ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ (E cell)
                             Ecell = E cathode - E anode
         ยิ่งสารตัวใดมี ค่า E มาก จะมีความสามารถในการชิง อิเล็กตรอนได้ดี
        โดย เรากำหนดให้ ครึ่งเซลล์มาตรฐาน มีค่าเท่ากับ 0.0 V 

เซลล์กัลวานิก

เซลล์กัลวานิกประกอบด้วยสองครึ่งเซลล์ ที่เชื่อมต่อกันด้วยสะพานไอออน
       ขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (ให้e) เรียกว่า ขั้วแอโนด ( anode ) และขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน  (รับe)เรียกว่า ขั้วแคโทด (cathode)
        การเชื่อมแผนภาพเซลล์กัลวานิก
                      
                                  ออกซิเดชั่น || รีดักชั่น
                   เช่น
                                  B (s)  |  B+ (aq)  ||  A+ (aq)  | A (s)
                  

จากภาพ
           
ปฏิกิริยาออกซิเดชันที่แอโนด ( Zn )                 Zn (s ) Zn 2+(aq) + 2e -
ปฏิกิริยารีดักชันที่แคโทด (Cu )                      Cu 2+(aq) + 2e -Cu(s)
    
              ระหว่างที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันขึ้นที่ขั้วแอโนด Zn จะค่อย ๆ กร่อนแล้วเกิดเป็น Zn 2+ ละลายลงมาในสารละลายที่มี Zn 2+ และ SO 4 2- ส่วนที่ขั้วแคโทด Cu 2+ จากสารละลายเกิดปฏิกิริยารีดักชันกลายเป็นอะตอมของทองแดงเกาะอยู่ที่ผิวของขั้วไฟฟ้า เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปจะพบว่าในครึ่งเซลล์ออกซิเดชันสารละลายจะมีประจุบวก (Zn 2+) มากกว่าประจุลบ (SO 4 2-) และในครึ่งเซลล์รีดักชันสารละลายจะมีประจุลบ (SO 4 2-) มากกว่าประจุบวก (Cu 2+) จึงเกิดความไม่สมดุลทางไฟฟ้าขึ้น ปัญหานี้สามารถที่จะแก้ไขได้โดยการใช้ สะพานเกลือ (salt bridge) เชื่อมต่อระหว่างสองครึ่งเซลล์ ซึ่งสะพานเกลือทำจากหลอดแก้วรูปตัวยู ภายในบรรจุอิเล็กโตรไลต์ที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารในเซลล์และมีไอออนบวก ไอออนลบเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกัน หรือทำจากกระดาษกรองชุบอิเล็กโตรไลต์ โดยสะพานเกลือทำหน้าที่เป็นตัวกลางที่เชื่อมต่อระหว่างครึ่งเซลล์ทั้งสอง และเป็นสิ่งที่ป้องกันการเกิดการสะสมของประจุโดยไอออนบวกจากสะพานเกลือจะเคลื่อนที่ไปยังครึ่งเซลล์ที่มีประจุลบมาก ในทางตรงกันข้ามไอออนลบก็จะเคลื่อนที่ไปยังครึ่งเซลล์ที่มีประจุมาก จึงทำให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไปได้ในเวลาที่มากขึ้น
           และเนื่องจากครึ่งเซลล์ทั้งสองเชื่อมต่อกับวงจรภายนอก ครึ่งเซลล์ที่มีศักย์รีดักชันสูงกว่าจะเกิดรีดักชัน และครึ่งเซลล์ที่มีศักย์รีดักชันต่ำกว่าจะ(ถูกบังคับให้)เกิดออกซิเดชัน ความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดนี้ เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive force: emf) และมีหน่วยเป็น โวลต์ (volt)
                                      
                                 

เซลล์กัลวานิก

เซลล์กัลวานิก
ได้กล่าวถึงปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นเมื่อนำแผ่นสังกะสีจุ่มลงในสารละลายของทองแดง หรือตัวรีดิวซ์จุ่มลงในตัวออกซิไดซ์โดยตรงแล้วในบทนำ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทำให้เกิดพลังงานในรูปของความร้อน แต่ถ้าแยกตัวรีดิวซ์ออกจากตัวออกซิไดซ์ แล้วเชื่อมต่อวงจรภายนอกและสะพานเกลือ ( salt bridge) อิเล็กตรอนก็จะถูกถ่ายโอนผ่านตัวกลางภายนอกจากขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันไปยังขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ เซลล์ไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีนี้เรียกว่า เซลล์กัลวานิก หรือเซลล์โวลตาอิก (galvanic cell or voltaic cell)  
                                                           ^
                                                           ^
                                                           .
                                                           .
มีลักษณะคือ ภาพด้านบนค่ะ ^ ^  

การดุลสมการรีดอกซ์

การดุลแบบตรึ่งปฏิกิริยา  มักใช้กับ กรด-เบส
                        หลักการ
                       1 หาเลขออกซิเดชั่นของธาตุ  ทราบตัวรีดิวซ์ และตัวออกซิไดซ์
                       2 แยกครึ่งปฏิกิริยา ออกซิเดชั่น รีดักชั่น
                       3 แต่ละครึ่งปฏิกิริยา ให้ 
                             + ดุลจำนวนอะตอมของตัว รีดิวซ์/ตัวรีดักชั่น
                             + ดุลจำนวน ออกซิเจน โดยใส่น้ำ ด้านตงข้ามของสมการ
                             +ดุล ไฮโดรเจนโดยเติม H+ จำนวนเท่ากับด้านตรงข้ามของสมการ
                             +ดุลประจุ2ข้างให้เท่ากัน และดุลประจุในแต่ละปฏิกิริยาให้เท่ากัน
                       4รวมทั้ง2สมการเข้าด้วยกัน  ตรวจสอบจำนวนอะตอมและประจุ
                       5 ในสารละลายเบส การกำจัด H ต้องเติม OH- ทั้ง2ข้าง และตรวจสอบสมการอีกครั้ง
เช่น
              Cr2O7  +  I --------------- Cr3+   +  I2

 รีดักชั่น                  6e +Cr2O72-   + 14H  -------------  2Cr3+  + 7H2O
ออกซิเดชั่น           2I-  -------------  I2  +  2e      :  คูณ3ทั้งสมการ
                          ดุลe  ให้เท่ากันเพื่อตัดออก และรวม2สมการเข้าด้วยกัน
  ได้ 
                   Cr2O7  +  6I  + 14H  --------------- 2Cr3+   +  3I2 +7H2O

การดุลสมการ รีดอกซ์

ทำได้โดย 
             1.การดุลแบบเลขออกซิเดชั่น    2 การดุลแบบครึ่งปฏิกิริยา

 การดุลแบบเลขออกซิเดชั่น
               หลักการ
                            1 หาเลขออกซิเดชั่นของธาตุ  ทราบตัวออกซิไดซ์ และตัวรีดิวซ์
                            2 ดุลจำนวนอะตอมของตุวออกซิไดซ์ และตัวรีดิวซ์ ทั้งด้านขวาและซ้ายของสมการ
                            3 ทำจำนวน อิเล็กตรอนที่ให้และรับให้เท่ากันโดยหาเลขที่เหมาะสมมาคูณ
                            4 ดุลจำนวนอะตอมของธาตุในสมการ
                            5 ตรวจสอบจำนวนอะตอมและประจุทั้งด้านซ้ายและขวาของสมการ

เช่น
             
Al   +  Zn2+  ----------------  Zn  +   Al3+
                Al ให้ 3e x 2  
Al   +  Zn2+  ----------------  Zn  +   Al3+
                         Zn2+ รับ2e x3         
เมื่อจำนวนe เท่ากัน ให้นำเลขที่เหมาะสมนั้น ใส่หน้าสาร ในที่นี้ 2 เป็นเลขเหมาะสมของ คู่ Al  และ 3 เป็นเลขเหมาะสมของคู่  Zn จะได้
               2Al   +  3Zn2+  ----------------  3Zn  +   2Al3+


หลักเกณฑ์ในการกำหนดค่าเลขออกซิเดชัน เพิ่มเติม

1. ธาตุหมู่ IA , IIA , IIIA ในสารประกอบต่างๆ มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +1 , + 2 , + 3 ตามลำดับ
2. ธาตุอโลหะส่วนใหญ่ในสารประกอบมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า เช่น Cl ใน HCl HClO HClO 2 HClO 3 และ HClO 4 มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ - 1, +1, +3, +5 และ +7 ตามลำดับ
3. ธาตุแทรนซิชันส่วนใหญ่มีเลขออกซิเดชันได้มากกว่าหนึ่งค่า เช่น Fe ใน FeO และ Fe 2O 3 มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +2 และ +3

หลักเกณฑ์ในการกำหนดค่าเลขออกซิเดชัน

 การกำหนดเลขออกซิเดชันมีเกณฑ์ดังนี้
1. เลขออกซิเดชันของธาตุอิสระทุกชนิดไม่ว่าธาตุนั้นหนึ่งโมเลกุลจะประกอบด้วย กี่อะตอมก็ตามมีค่าเท่ากับศูนย์ เช่น Na,  He, H 2, N 2,  S 8 ฯลฯ มีเลขออกซิเดชันเท่ากับศูนย์
2. เลขออกซิเดชันของไฮโดรเจนในสารประกอบโดยทั่วไป (H รวมตัวกับอโลหะ ) เช่น HCl , H 2O , H 2SO 4 ฯลฯ มีค่าเท่ากับ + 1 แต่ในสารประกอบไฮไดรด์ของโลหะ (H รวมตัวกับโลหะ ) เช่น NaH , CaH 2 ไฮโดรเจนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1
3. เลขออกซิเดชันของออกซิเจนในสารประกอบโดยทั่วไปเท่ากับ -2 แต่ในสารประกอบเปอร์ออกไซด์ เช่น H 2O 2 และ BaO 2 ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1 ในสารประกอบซุปเปอร์ออกไซด์ ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1/2 และในสารประกอบ OF 2 เท่านั้น ที่ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +2
4. เลขออกซิเดชันของไอออนที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกันมีค่าเท่ากับประจุที่แท้จริงของไอออนนั้น เช่น Mg 2+ ไอออน มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +2 ,F - ไอออนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1 เป็นต้น
5. ไอออนที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่าหนึ่งชนิด ผลรวมของเลขออกซิเดชันของอะตอมทั้งหมดจะเท่ากับประจุที่แท้จริงของไอออนนั้น เช่น SO 4 2- ไอออน เท่ากับ – 2 เลขออกซิเดชันของ NH 4 + ไอออนเท่ากับ + 1 เป็นต้น
6. ในสารประกอบใดๆ ผลบวกของเลขออกซิเดชันของอะตอมทั้งหมดเท่ากับศูนย์ เช่น H 2O H มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ + 1 แต่มี H 2 อะตอม จึงมีเลขออกซิเดชันทั้งหมด เท่ากับ + 2 O มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ – 2 เมื่อรวมกันจะเท่ากับศูนย์เป็นต้น

เลขออกซิเดชั่น ( Oxidation number หรือ Oxidation state )


            เลขออกซิเดชัน ย่อว่า ON. คือค่าประจุไฟฟ้าที่สมมติขึ้นของไอออนหรืออะตอมของธาตุ โดยคิดจากจำนวนอิเล็กตรอนที่ให้หรือรับหรือใช้ร่วมกับอะตอมของธาตุตามเกณฑ์ที่กำหนดขึ้น เลขออกซิเดชันส่วนใหญ่เป็นเลขจำนวนเต็มบวกหรือลบหรือศูนย์
ในสารประกอบไอออนิกอะตอมมีการให้และรับอิเล็กตรอนแล้วกลายเป็นไอออนบวกและไอออนลบ ดังนั้นเลขออกซิเดชันจึงตรงกับค่าประจุไฟฟ้าที่แท้จริง ซึ่งมีค่าเท่ากับประจุไฟฟ้าของไอออนนั้นๆ ในสารประกอบโคเวเลนต์ อะตอมของธาตุใช้อิเล็กตรอนร่วมกันไม่ได้มีการให้และรับอิเล็กตรอนเหมือนกับในสารประกอบไอออนิก ดังนั้นในกรณีนี้เลขออกซิเดชันเป็นแต่เพียงประจุสมมติ ส่วนอะตอมของธาตุใดจะมีค่าเลขออกซิเดชันเป็นบวกหรือลบ ให้พิจารณา ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี อะตอมของธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่าจะมีเลขออกซิเดชันเป็นลบ ส่วนอะตอมของธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่าจะมีเลขออกซิเดชันเป็นบวก ส่วนจะมีค่าบวกเท่าไรนั้นพิจารณาได้จากจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่อะตอมของธาตุนำไปใช้ร่วมกับอะตอมของธาตุอื่น

ปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า หรือปฏิกิริยารีดอกซ์

             ปฏิกิริยารีดอกซ์ คือ ปฏิกิริยาเคมี ที่มีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างสารตั้งต้นทำให้เลขออกซิเดชันมีการเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะทำให้มีอะตอมของธาตุบางตัวสูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอน จะเรียกปฏิกิริยาที่เกิดการเสียอิเล็กตรอนว่า ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) และเรียกปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอนว่า ปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction) 
            ในปฏิกิริยารีดอกซ์นั้นจะต้องมีทั้งปฏิกิริยาออกซิเดชั่น และปฏิกิริยารีดักชั่นอยู่รวมกันในสมการเดียว

            สารตั้งต้นที่ทำให้เกิดปฏิกิริยารีดักชั่นเราเรียกว่า ตัว ออกซิไดซ์
       ส่วน สารที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นเราเรียกว่าตัว รีดิวซ์
ตัวอย่าง
                                 Cu2+   +  Zn ------- Zn2+  +  Cu
Cu2+ เป็นตัวออกซิไดซ์        Zn เป็นตัวรีดิวซ์
จาก   Cu2+  รับอิเล็กตรอนจนเป็น  Cu    =  รีดักชั่น
          Zn      เสียอิเล็กตรอนจนเป็น  Zn2+  =  ออกซิเดชั่น
           

วันจันทร์ที่ 21 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2554

สวัสดีค่ะผู้เข้าชมทุกคนมีความเห็นยังไงก็สามารถติชมกันได้ค่ะ

วันอาทิตย์ที่ 6 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2554

เรื่องที่จะทำก็จะเกี่ยวกับเรื่องไฟฟ้าเคมีค่ะ