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 250^OC 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) + SO₄^2-(aq) + 4H⁺(aq) + 2e^- PbSO₄(s) + 2H₂O(l)

ที่ขั้ว B Pb(s) + SO₄^2-(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) + SO₄^2-(aq) + 4H⁺(aq) + 2e^-

ที่ขั้ว B PbSO₄(s) + 2e^- Pb(s) + SO₄^2-(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
 

เซลล์กัลวานิกแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด

1 เซลล์ปฐมภูมิ       2ทุติยภูมิ

เซลล์ปฐมภูมิ    
            คือเซลล์กัลวานิกที่ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ ไม่สามารถเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ กลับมาเป็นสารตั้งต้นได้ คือ ใช้แล้วหมดไปไม่สามารถนำกลับมาใช้ได้อีก 

เซลล์ทุติยภูมิ   
            คือเซลล์กัลวานิกที่เมื่อนำไปใช้แล้วสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้โดยการอัดไฟ หรือประจุไฟ แล้วจึงสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้