16.3 เซลล์ไฟฟา้เคมี16.3.1 ประเภทและสว่นประกอบของเซลล์

ไฟฟา้เคมีเซลล์ไฟฟา้เคม ี(Electrochemical) คือ เคร ื่องมอืหรอื

อุปกรณ์ทางเคมทีี่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมเีป็นไฟฟา้ หรอืไฟฟา้เป็นเคมี

เซลล์ไฟฟา้เคมแีบง่ออกเป็น 2 ประเภท1. เซลล์กัลวานิก (Galvanic cell) คือ เซลล์ไฟฟา้

เคมทีี่เปลี่ยนพลังงานเคมเีป็นพลังงานไฟฟา้ เกิดจากสารเคมที ำาปฏิกิรยิากันในเซลล์ แล้วเกิดกระแสไฟฟา้ เชน่ ถ่านไฟฉาย เซลล์อัลคาไลน์ เซลล์ปรอท เซลล์เงิน แบตเตอรี ่

2. เซลล์อิเล็กโตรไลต์ (Electrolytic cell) คือ เซลล์ไฟฟา้เคมทีี่เปล่ียนพลังงานไฟฟา้เป็นพลังงานเคม ี เกิดจากการผ่านกระแสไฟฟา้ลงไปในสารเคมทีี่อยูใ่นเซลล์ แล้วทำาใหเ้กิดปฏิกิรยิาเคมี เชน่ การแยกนำ2าด้วยกระแสไฟฟา้ การชุบโลหะด้วยไฟฟา้

สว่นประกอบของเซลล์ไฟฟา้เคมี1. ขัว้ไฟฟา้ ซึ่งม ี 2 ชนิด คือ

ก. ขั2ววอ่งไว (Active electrode) ได้แก่ ขั 2วโลหะทัว่ไป เชน่ Zn , Cu , Pb ขั2วพวกนี2บางโอกาสจะเขา้ไปมสีว่นรว่มในการเกิดปฏิกิรยิาด้วย

ข. ขั2วเฉื่อย (Inert electrode) คือ ขั 2วที่ไมม่สีว่นรว่มใด ๆ ในการเกิดปฏิกิรยิาเคม ีเชน่ Pt , C (แกรไ์ฟต์)

สำาหรบัในเซลล์ไฟา้หน่ึง ๆ จะต้องประกอบไปด้วยขั 2วไฟฟา้ 2 ขั2วเสมอคือ

ขั2วแอโนด (Anode) คือ ขั2วที่เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนัขั2วแคโทด (Cathode) คือ ขั 2วที่เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั

2. อิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte)

อิเล็กโทรไลต์ คือ สารที่สถานะเป็นของเหลว นำาไฟฟา้ได้ เพราะมไีอออนบวกและลบเคล่ือนที่ไปมา อิเล็กโทรไลต์ม ี 2 ชนิดคือ

ก. สารประกอบไอออนิกหลอมเหลว เชน่ NaCl (s) Na+ (l) + Cl- (l)

ข. สารละลายอิเล็กโทรไลต์ เชน่ สารละลายกรด เบส และเกลือ

สารละลายกรดHCl (g) OH2 H+ (aq) + Cl- (aq)

สารละลายเบสNaOH (s) OH2 Na+ (aq) + OH- (aq)

สารละลายเกลือNaCl (s) OH2 Na+ (aq) + Cl- (aq)

16.3.2 เซลล ์ก ัลวาน ิกหรอื เซลล ์วอลตาอ ิก (Voltaic cell)

เซลล์กัลวานิก (Galvanic cell) คือ เซลล์ไฟฟา้เคมชีนิดหนึ่งที่เปลี่ยนพลังงานเคมเีป็นพลังงานไฟฟา้ โดยทัว่ไปเซลล์กัลวานิกมกัจะประกอบด้วยครึง่เซลล์ 2 ครึง่เซลล์มาต่อเขา้ด้วยกัน และเช ื่อมวงจรภายในใหค้รบวงจรโดยใชส้ะพานไอออนต่อไวร้ะหวา่งสารละลายในแต่ละครึง่เซลล์

รูปที่ 16.6 แสดงอิเล็กตรอนไหลในเซลล์จากขั 2วแอโนด (-) ไปยงัขั2วแคโทด (+) อิเล็กตรอนเกิดจากปฏิกิรยิาออกซเิดชนัที่ขั 2วแคโทด

และอิเล็กตรอนไหลเขา้หาขั 2วแคโทดเกิดปฏิกิรยิารดีักชนั

ครึง่เซลล์ (Half cell) คือ ระบบที่มสีารจุม่อยูใ่นไอออนของสารนั2น ถ้าสารที่จุม่เป็นโลหะก็ใชโ้ลหะนั2นเป็นขั2ว เชน่ Zn จุม่ใน Zn2+ Zn ทำาหน้าที่เป็นขั2วไฟฟา้

รูปที่ 16.7 แสดงครึง่เซลล์สงักะส ี และครึง่เซลล์ทองแดงแต่ถ้าสารที่จุม่เป็นก๊าซหรอืไอออนของสารในรูปสารละลาย จะ

ต้องใชข้ั 2วเฉ่ือย เชน่ Pt หรอื ขั 2ว C (แกรไ์ฟต์) เป็นขั2วแทน เชน่ก๊าซ H2 (g) จุม่ใน H+ (aq) โดยม ี Pt เป็นขั2ว

รูปที่ 16.8 แสดงครึง่เซลล์ก๊าซไฮโดรเจนก๊าซ Cl2 จุม่ใน Cl- (aq) โดยม ี Pt เป็นขั2ว

รูปที่ 16.9 แสดงครึง่เซลล์คลอรนีFe2+ (aq) จุม่ในสาระลาย Fe3+ (aq) โดยม ี Pt เป็นขั2ว

รูปที่ 16.10 แสดงครึง่เซลล์เหล็กไอออน

สะพานไอออน (Salt bridge)สะพานไอออน (Salt bridge) คือ ตัวเชื่อมต่อวงจรภายใน

ของแต่ละคร ึง่เซลล์เขา้ด้วยกันใหค้รบวงจร ไอออนในแต่ละคร ึง่เซลล์สามารถไหลผ่านสะพานไอออนนี2ได้ สะพานไอออนเป็นตัวกันไม่ใหส้ารละลายในครึง่เซลล์ทั2งสองผสมกัน

การสรา้งสะพานไอออนการสรา้งสะพานไอออนสามารถทำาได้โดยบรรจุสารระลายอิ่มตัว

ของเกลือ KNO3 ปนวุน้ที่รอ้นลงในหลอดแก้วรูปตัวยูใหเ้ต็มพอดี (ระวงัอยา่ใหม้ฟีองอากาศแทรกอยูใ่นสารละลายผสมเพราะจะทำาให้

สะพานไอออนมปีระสทิธภิาพลดลงได้ ) เมื่อเยน็ลงสารละลายที่ปนวุน้นี2จะแขง็ตัวในหลอดแก้ว แต่ละปลายอุดด้วยใยแก้ว ซึ่งนำาไปใส่วางค่อมใหป้ลายหลอดแก้วแต่ละปลายจุม่อยูใ่นสารละลายของแต่ละคร ึง่เซลล์ หลักจากเสรจ็ต้องทำาความสะอาดด้วยนำ2า แล้วแชไ่วใ้นสารละลายอิ่มตัวของ KNO3 ในนำ2าสะพานไอออนดังกล่าวสามารถนำาไปใชซ้ำ2ากันหลายครั2งได้

รูปที่ 16.11 แสดงสะพานไอออน

ในการปฏิบตัิการเคม ีเราทำาสะพานไอออนง่าย ๆ ด้วยกระดาษกรองกวา้งประมาณ 1 cm ยาว ๆ ชุบสารละลายอิ่มตัว KNO3

ใหเ้ปียกหมดทั2งแผ่น นำาไปใชแ้ทนสะพานไอออนได้

สมบติัของสารท่ีใชท้ำาสะพานไอออน1. เป็นสารประกอบไอออนิกที่ละลายนำ2าแตกเป็นไอออนได้ดี มี

ปรมิาณไอออนเกิดขึ2นมาก2. ไอออนต้องไมท่ำาปฏิกิรยิาเคมกีับสารใด ๆ ในสารละลายของ

ครึง่เซลล์ทั2งสอง3. ไอออนบวกและไอออนลบที่แตกตัวได้จากสารต้องมคีวาม

สามารถในการเคล่ือนที่เรว็ใกล้เคียงกัน4. สารที่ใชท้ำาสะพานไอออน มหีลายชนิด เชน่ KNO3 KCl

NH4Cl5. ต้องเป็นสารละลายอ่ิมตัว ประกอบด้วยไอออนมาก

หน้าท่ีของสารท่ีใชท้ำาสะพานไอออน

1. ทำาใหค้รบวงจรไฟฟา้ เพราะเชื่อมทั 2งสองเซลล์เขา้ด้วยกัน2. รกัษาสมดลุระหวา่งไอออนบวก และไอออนลบ ของสารละลา

ยอิเล็กโตรไลต์แต่ละครึง่เซลล์ตลอดเวลาที่มกีารถ่ายโอนอิเล็กตรอนเกิดขึ2นในเซลล์กัลวานิก โดยไอออนบวกและไอออนลบจะเคลื่อนที่จากสะพานไอออนลงสูส่ารละลายในแต่ละครึง่เซลล์ เพื่อทำาใหป้ระจุในแต่ละคร ึง่เซลล์สมดลุ เชน่ ขณะที่เซลล์มกีารถ่ายโอนอิเล็กตรอน สารละลายในครึง่เซลล์หนึ่งจะเกิดการสะสมการสะสมประจุบวก คือ มปีรมิาณไอออนบวกมากกวา่ไอออนลบ เพื่อรกัษาสมดลุและสะพานไอออนจะขบัไอออนลบลงสูส่ารละลายในครึง่เซลล์นั2น

การรกัษาสมดลุของประจุ ที่เกิดจากไอออนของสารละลายอิเล็กโตรไลต์อีกวธิหีนึ่ง ในแต่ละคร ึง่เซลล์ ด้วยการระบายไอออน ที่ท ำาให้เกิดการสะสมประจุผ่านสะพานไอออนลงสูส่ารละลายอีกคร ึง่เซลล์หนึ่ง เพื่อทำาใหป้ระจุในสารละลายแต่ละครึง่เซลล์สมดลุ เชน่ เซลล์กัลวานิก ครึง่เซลล์ที่เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนัสารละลายในครึง่เซลล์จะเกิดการสะสมประจุบวก เนื่องจากมปีรมิาณไอออนบวกมากกวา่ปรมิาณไอออนลบเพื่อรกัษาสมดลุประจุ จงึระบายไอออนบวก ขึ2นสู่สะพานไอออนไป

รูปที่ 16.12 แสดงการรกัษาสมดลุของประจุที่เกิดจากไอออนของสารละลายอิเล็กโตรไลต์ในแต่ละครึง่เซลล์

เซลล์กัลวานิกกับสะพานไอออน

เซลล์กัลวานิกที่เกิดจากครึง่เซลล์สงักะส ี กับครึง่เซลล์ทองแดง ถ้าไมม่สีะพานไอออนเชื่อมต่อระหวา่งสารละลายในแต่ละคร ึง่เซลล์ เซลล์จะไมท่ำางาน ซึ่งจะอธบิายได้ดังนี2

รูปที่ 16.13 เซลล์กัลวานิกที่ไมม่สีะพานไอออนเซลล์กัลวานิกที่ไมม่สีะพานไอออนต่ออยู ่ จะพบวา่ ที่คนึ่งเซลล์

สงักะส ี ขั 2วสงักะสสีงักะสอีะตอมมแีนวโน้มเอียงในการใหอิ้เล็กตรอน เกิดเป็นไอออนบวก (Zn2+) ลงในสารละลาย สำาหรบัคร ึง่เซลล์ทองแดง ทองแดงไอออน (Cu2+ ) รบัอิเล ็กตรอนเป ็นโลหะทองแดงเกาะท ี่ข ั 2วทองแดง ท ำาใหป้รมิาณทองแดงไอออนในสารละลายลดลง ดังนั2น สารละลายในครึง่เซลลืสงักะสเีกิดการสะสมประจุบวกมากขึ2น ทั2งนี2เนื่องจากเกิดสงักะสไีอออน (Zn2+) ที่ขั 2วเป็นไอออนบวกมากขึ2น และประจุบวกของ Zn2+ มปีรมิาณมากขึ2นจะไปดึงดดูอิเล็กตรอนที่เกิดจากอะตอมของสงักะสทีี่ขั 2วโลหะสงักะสีใหห้ลดุออก และแรงดึงดดูของประจุบวกของ Zn2+ ในสารละลายนี2มากกวา่ ทำาใหอ้ิเล็กตรอนไหลออกสูว่งจรภายนอก จาก Zn ไปยงั Cu ไมไ่ด้ เซลล์จงึไมท่ ำางาน ไมเ่กิดกระแสไฟฟา้ขึ2น แต่ถ้าเซลล์กัลวานิกนี2มสีะพานไอออนต่อเชื่อมระหวา่งสารละลายในคร ึง่เซลล์ทั2งสองจะพบวา่ ไอออนของสารในสะพานไออนจะเคลื่อนที่ลงสู่สารละลายในเซลล์เพื่อดลุประจุ เชน่ เคลื่อนไอออนลบในสะพาน

ไอออนลงไปดลุประจุบวกที่เกิดจากสงักะส ีไอออนในครึง่เซลล์สงักะสี และเคลื่อนไอออนบวกในสะพานไอออนลงไปดลุประจุท ี่เกิดจากไอออนลบในคร ึง่เซลล์ทองแดง ทำาใหเ้กิดกระแสอิเล็กตรอนไหลในวงจรจากขั2วสงักะสไีปยงัข ั 2วทองแดง แสดงวา่เซลล์กัลวานิกนี2ทำางานได้

สำาหรบัเซลล์กัลวานิกบางชนิดไมม่สีะพานไอออนเชื่อมต่อระหวา่งสารละลายในแต่ละคร ึง่เซลล์เพื่อดลุประจุ แต่ใชแ้ผ่นรูพรุนบาง ๆ (Prous disk) คัน่อยูร่ะหวา่งสารละลายในคร ึง่เซลล์ทั 2ง 2 ทำาหน้าที่ดลุประจุป้องกันไมใ่หค้รึง่เซลล์เกิดการสะสมประจุ โดยไอออนที่ทำาใหเ้กิดการสะสมประจุในสารละลายของครึง่เซลล์หนึ่งจะเคล่ือนที่ผ่านรูเล็กของแผ่นรูพรุนบาง ๆ ไปยงัสารละลายอีกครึง่เซลล์หน่ึงได้

รูปที่ 16.14 เซลล์กัลวานิกชนิดที่ใชแ้ผ่นรูพรุนบาง ๆ

ครึง่เซลล์สงักะส ี เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั Zn (s) Zn2+ (aq) +

2e- ; Zn2+ เพิม่ขึ2นทำาใหเ้กิดการสะสมประจุบวกของ Zn2+

ครึง่เซลล์ทองแดงเกิดปฏิกิรยิารดีักชนั Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s)

; Cu2+ ลดลง แต่ SO42- เท่าเดิมเป็นผลให ้ SO4

2- มากกวา่เกิดการสะสมประจุลบของ SO4

2-

ด ังน ั2น Zn2+ จะ เคล ื่อนท ี่ผ ่านแผ ่นร ูพร ุนบาง ๆ ไปยงัสารละลายของครึง่เซลล์ทองแดง และ SO4

2- จะเคล่ือนที่ผ่านแผ่นรูพรุนบาง ๆ จากสารละลายในครึง่เซลล์ทองแดงไปยงัสารละลายในครึง่เซลล์สงักะส ี ทำาใหเ้กิดการดลุประจุขึ2น

ตัวอยา่งเซลล์กัลวานิก1. เซลล์ดาเนียลล์ เป็นเซลล์กัลวานิกชนิดหนึ่งที่ประกอบ

ด ้วยคร ึง่ เซลล ์สงักะส ี (Zn(s)/Zn2+(aq) ต ่อก ับคร ึง่ เซลล ์ทองแดง (Cu (s) / Cu2+ (aq)) ใหค้รบวงจรดังรูปที่ 16.15

รูปที่ 16.15 แสดงเซลล์กัลวานิกชนิดหน่ึงที่โลหะ Zn ถกูออกซิไดสเ์ป็น Zn2+ ที่ขั 2วแอโนด

และ Cu2+ ถกูรดิีวซเ์ป็นโลหะ Cu ที่แคโทด ปฏิกิรยิารดีอกซ ์ Cu2+(aq) + Zn (s) Cu(s) + Zn2+

(aq)

เมื่อต่อครึง่เซลล์ทองแดงและครึง่เซลล์สงักะสเีขา้ด้วยกัน โดยเชื่อมต่อด้วยสะพานไอออนในสารละลายแต่ละครึง่เซลล์ใหค้รบวงจรแล้ว ต่อโวลต์มเิตอรก์ับวงจรภายนอก จะพบวา่เขม็โวลต์มเิตอรจ์ะ

เบนจากขั2ว Zn ไปยงั Cu อ่านศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ได้เท่ากับ 1.10 โวลต์ และสกัครูห่นึ่งพบวา่ขั 2วโลหะ Zn สกึกรอ่นไปสว่นขั 2วโลหะ Cu มคีราบสนีำ2าตาลแดงมาเกาะ สารละลายสนีำ2าเงินจางลง การเปล่ียนแปลงที่เกิดขึ2นนี2อธบิายได้วา่

1. การท ี่เขม็โวลต์มเิตอรเ์บนจากข ั 2ว Zn ไปยงัข ั2ว Cu แสดงวา่เกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากขั 2ว Zn ไปยงัขั2ว Cu โดยม ี Zn ใหอิ้เล็กตรอนสว่น Cu2+ รบัอิเล็กตรอน

2. Zn ใหอิ้เล็กตรอนเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนัที่ขั 2วแอโนด (ขั2ว Zn) ดังสมการ

Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e-

Zn สกึกรอ่นเกิด Zn2+ ลงในสารละลายปรมิาณมากขึ2น ทำาใหเ้กิดการสะสมประจุบวก สะพานไอออนจะเคลื่อนไอออนลบ (NO3

- ) ลงในสารละลายเพื่อดลุประจุ3. อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากชั 2ว Zn มายงัขั2ว Cu Cu2+

ในครึง่เซลล์ทองแดงจะไปรบัอิเล็กตรอนเป็นโลหะ Cu ทำาใหม้มีวลเพิม่ขึ2น เกิดปฏิกิรยิารดัีกชนัที่แคโทด (ขั2ว Cu )ดังสมการ

Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s)เนื่องจาก Cu2+ รบัอิเล็กตรอนเป็นโลหะ Cu , Cu2+

ในสารละลายมปีรมิาณลดลง ซ ึ่งเดิมมไีอออนลบ (SO42-) และ

ไอออนบวก (Cu2+ ) สมดลุกันอยู ่ เป็นผลใหเ้กิดการสะสมประจุลบ (SO4

2-) สะพานไอออนจะเคลื่อนไอออนบวก (K+ ) ลงในสารละลาย เพื่อรกัษาสมดลุของประจุ จงึทำาใหอ้ิเล็กตรอนไหลในวงจรได้ตลอด

4. เมื่อรวมปฏิกิรยิาในแต่ละคร ึง่เซลล์ที่เกิดขึ2นเขา้ด้วยกัน จะได้ปฏิกิรยิารดีอกซด์ังสมการสทุธดัิงนี2

Cu2+ (aq) + Zn (s) Cu (s) + Zn2+ (aq)

5. ขั2ว Zn เป็นขั2วที่อิเล็กตรอนไหลออก ซ ึ่งเป็นขั 2วที่เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั และเรยีกวา่ขั 2วนี2วา่ ขั 2วแอโนด หรอืทำาหน้าที่เป็นขั2วลบใหอิ้เล็กตรอน

6. ขั2ว Cu เป็นขั2วที่อิเล็กตรอนไหลเขา้ ซ ึ่งเป็นขั 2วที่เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั และเรยีกวา่ขั 2วนี2วา่ ขั 2วแคโทด หรอืทำาหน้าที่เป็นขั2วบวกรบัอิเล็กตรอน

เซลล์กัลวานิกนี2ประกอบด้วยคร ึง่เซลล์ทองแดงและคร ึง่เซลล์สงักะส ีมชีื่อเรยีกเฉพาะวา่ เซลล์ดาเนียลส ์ (Daniel cell) ซงึอาจจะใชภ้าชนะพรุน หรอืแผ่นพรุนขั 2นสารละลายในแต่ละคร ึง่เซลล์ทั 2งสองแทนสะพานไอออนดังรูป 16.16

รูปที่ 16.16 เซลล์ดาเนียลสโ์ดยไมใ่ชส้ะพานไอออน แต่ใชเ้ป็นภาชนะพรุนหรอืแผ่นรูพรุนแทน

2. เซลล์ทองแดง - เงิน เป ็นเซลล์ก ัลวานิกชนิดหนึ่งท ี่ประกอบด้วยครึง่เซลล์ทองแดง (Cu(s) / Cu2+ (aq) ) ต่อกับครึง่เซลล์เงิน (Ag (s) / Ag+ (aq) ดังรูป 16.17

รูปที่ 16.17 เซลล์ทองแดง-เงิน

เมื่อต่อครึง่เซลล์ทั2งสองเขา้ด้วยกัน โดยเชื่อมด้วยสะพานไอออนในสารละลายแต่ละครึง่เซลล์ จะพบวา่เขม็ของโวลต์มเิตอรเ์บนจากขั 2วทองแดงไปขั 2วเงิน อ่านศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ ได้เท่ากับ 0.46 โวลต์ และสกัครูพ่บวา่โลหะทองแดงสกึกรอ่น สว่นขั 2วโลหะเงินมสีารสเีทาดำามาเกาะ สารละลายสนีำ2าเงินเขม้ขึ2น การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ2นอธบิายได้วา่

1. การที่เขม็โวลต์มเิตอรเ์บนจากขั 2วทองแดงไปยงัขั 2วเงินแสดงวา่ เกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากขั 2วทองแดงไปยงัขั 2งเงิน โดยม ี Cu ใหอิ้เล็กตรอนสว่น Ag+ รบัอิเล็กตรอน

2. ปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นขั2วทองแดงเป็นแอโนด (ขั2วลบ) เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั

Cu(s) Cu2+ (aq) + 2e-

ขั2วเงิน เป็นขั 2วแคโทด (ขั2วบวก) เกิดปฏิกิรยิารดัีกชนั2Ag+ (aq) + e- Ag (s)

ปฏิกิรยิาสทุธิCu (s) + 2Ag+ (aq) Cu2+ (aq) + 2Ag

(s)

ลักษณะสำาคัญของเซลล์กัลวานิก1. กระแสไฟฟา้ท ี่เก ิดข ึ2น เป ็นกระแสตรง ค ือ กระแส

อิเล็กตรอน2. อิเล็กตรอนจะไหลจากคร ึง่เซลล์ที่ศักยไ์ฟฟา้ต ำ่าไปสูค่ร ึง่

เซลล์ที่มศัีกยไ์ฟฟา้สงู3. เซลล์กัลวานิกต่างชนิดกัน จะมคี่าศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ต่าง

กัน และจะมคี่ามากหรอืน้อยขึ2นอยูก่ับครึง่เซลล์ที่นำามาต่อกัน4. เซลล์กัลวานิกที่มขี ั 2ววอ่งไวในคร ึง่เซลล์ที่แอโนด (ขั2วลบ)

โลหะนั2นจะสกึกรอ่นมวลลดลง เพราะเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั ให้อิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนบวก สว่นขั 2วแคโทด (ขั2วบวก) จะมมีวลมากขึ2นเพราะเกิดปฏิกิรยิารดีักชนั (รบัอิเล็กตรอน)

5. ปฏิก ิรยิาเคมที ี่เก ิดข ึ2นในเซลล์ก ัลวาน ิกมกีารถ่ายโอนอิเล็กตรอน เป็นปฏิกิรยิารดีอกซ์

6. เมื่อเกิดอิเล็กตรอนไหลนาน ๆ ในวงจรของเซลล์กัลวานิก จะเกิดการสะสมประจุในคร ึง่เซลล์กล่าวคือ คร ึง่เซลล์แอโนดที่เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนัจะเกิดการสะสมประจุบวก และครึง่เซลล์แคโทด เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั จะเกิดการสะสมประจุลบ ทั 2งนี2เนื่องจากสะพานไอออนไมส่ามารถรกัษาภาวะสมดลุของประจ ุไว ไ้ด ้ท ัน ท ำาให ้อิเล็กตรอนไหลในวงจรลดลง เป็นผลใหศ้ักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ลดลงด้วย และเม ื่อแต่ละคร ึง่เซลล์สะสมประจุจนถึงขดีหนึ่งจะไมม่ ีอิเล็กตรอนไหลออกนอกวงจร ขณะนั 2นเขม็โวลต์มเิตอรจ์ะชี2ที่เลขศูนย ์ ทั2งนี2เพราะขณะนั2นเกิดภาวะสมดลุเคมขีึ2นในแต่ละครึง่เซลล์นั2น

16.3.3 แผนภาพของเซลล์ไฟฟา้เคม ี(Cell Diagram)

แผนภาพเซลล์ไฟฟา้เคม ี คือ กลุ่มสญัลักษณ์ที่แสดงเซลล์กัลวานิกหนึ่ง ๆ ซึ่งบอกใหท้ราบถึงชนิดของคร ึง่เซลล์ องค์ประกอบของแต่ละครึง่เซลล์ และขั 2วไฟฟา้ของเซลล์

หลักการเขยีนแผนภาพของเซลล์ไฟฟา้เคม ีมวีธิกีารเขยีนดังน้ี

1. เขยีนคร ึง่เซลล์ออกซเิดชนัทางซา้ย และคร ึง่เซลล์รดีักชนัทางขวา โดยในครึง่เซลล์ออกซเิดชนัใหเ้ขยีนสารที่ท ำาหน้าที่เป็นขั2วไฟฟา้ก่อนแล้วจงึตามด้วย สารละลายไอออนของขั 2วไฟฟา้นั2น สว่นในครึง่เซลล์รดีักชนัใหเ้ขยีนสารที่ทำาหน้าขั 2วไฟฟา้ไวด้้านขวาสดุดังแผนภาพ

2. ถ้าสารต่างสถานะกันก็ใหค้ัน่ด้วยเครื่องหมาย / และถ้าสถานะเดียวกันก็ใชเ้ครื่องหมาย ,

3. สะพานไอออนใหเ้ขยีนไวต้รงกลางระหวา่งเซลล์ทั 2งสอง แทนด้วยเครื่องหมาย //

4. จะเขยีนความเขม้ขน้ของสารละลาย หรอืความดันของก๊าซได้โดยใสไ่วใ้นวงเล็บตามหลังไอออนนั2น

แผนภาพของเซลล์ไฟฟา้เคมี

ครึง่เซลล์ออกซเิดชนั // ครึง่เซลล์รดีักชนั

ขั2ว / ไอออนในสารละลาย // ไอออนในสารละลาย / ขั2ว

สะพานไอออน

ขั2วแคโทด

ขั2วแอโนด

ตัวอยา่งแผนภาพของเซลล์กัลวานิกบางชนิดZn(s) / Zn2+ (aq) // Cu2+ (aq) / Cu (s)Cu (s) / Cu2+ (aq) // Ag+ (aq) / Ag (s)Pt (s) / H2 (g , 1 atm) / H+ (aq) // Cu2+ (aq) / Cu

(s)Sn (s) / Sn2+ (aq , 1 mol/dm3 ) // Zn2+ (aq , 1

mol/dm3 ) / Zn (s)Pt (s) / Sn2+ (aq) , Sn4+ (aq) // Fe2+ (aq) , Fe3+

(aq) / Pt (s)

ตัวอยา่ง กำาหนดแผนภาพเซลล์กัลวานิกเป็นA(s) / A+ (aq) // B2+ (aq) / B (s)

จงตอบคำาถามต่อไปนี2ก. จงระบุขั 2วแอโนดและแคโทดข. บอกสารที่เป็นตัวออกซไิดซ ์และสารที่เป็นตัวรดิีวซ์ค. เขยีนสมการ แสดงปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นในครึง่เซล์รดัีกชัน่ง. เขยีนสมการ แสดงปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นในครึง่เซลล์ออกซเิดชัน่ง. เขยีนสมการแสดงปฏิกิรยิารดีอกซท์ี่เกิดขึ2น

วธิทีำาก. ขั2วแอโนด A (s) ขั2วแคโทด B (s)ข. A เป็นตัวรดีิวซ์ B2+ เป็นตัวออกซไิดซ์ค. ครึง่เซลล์ A เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนัดังนี2

2A (s) 2A+ (aq) + 2e-

ครึง่เซลล์ B เกิดปฏิกิรยิารดัีกชนั ดังนี2B2+ (aq) + 2e- B (s)

ง. สมการแสดงปฏิกิรยิารดีอกซท์ี่เกิดขึ2นเป็นดังนี22A (s) + B2+ (aq) 2A+ (aq) + B (s)

ตัวอยา่ง ปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นในเซลล์กัลวานิกเป็นดังนี2

3Mg (s) + 2Cr3+ (aq) 2A+ (aq) + 2Cr (s)

จงตอบคำาถามต่อไปนี2ก. เขยีนแผนภาพของเซลล์กัลวานิกนี2ข. บอกขั2วบวกและขั2วลบค. เขยีนสมกาารของปฏิกิรยิาออกซเิดชนัและรดัีกชนั

วธิทีำาก. 3Mg (s) + 2Cr3+ (aq) 2A+ (aq) + 2Cr

(s) Mg เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั เพราะมเีลขออกซเิดชนั

เพิม่ขึ2น Cr3+ เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั เพราะมเีลขออกซเิดชนัลด

ลง เขยีนแผนภาพของเซลล์กัลวานิกได้ดังนี2

Mg (s) / Mg2+ (aq) // Cr3+ (aq) / Cr (s)ข. ขั2วบวก เป็นขั 2วที่เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั หรอืรบัอิเล็กตรอน

คือ ขั2ว Cr ข ั2นลบ เป ็นข ั 2วท ี่เก ิดปฏ ิก ิร ยิ าออกซ เิดชนั หร อื ให ้

อิเล็กตรอน คือ ขั 2ว Mgค. ปฏิกิรยิาออกซเิดชนั ; 3Mg (s) 3Mg2+ (aq) +

6e-

ปฏิกิรยิารดีักชนั ; 2Cr3+ (aq) + 6e- 2Cr (s)

ตัวอยา่ง ปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นในเซลล์กัลวานิกคือก. 2Al (s) + 3Sn4+ (aq) 2Al3+ (aq) + 3Sn2+

(aq)ข. Zn (s) + 2H+ (aq) Zn2+ (aq) + H2 (g)จงเขยีนแผนภาพของเซลล์ไฟฟา้เคมนีี2

0 0

วธิทีำา ก. 2Al(s) + 3Sn4+(aq) 2Al3+(aq) + 3Sn2+(aq)

eให้ - ออกซเิดชนั eรบั - รดัีกชนั

ครึง่เซลล์อะลมูเินียม เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั มโีลหะ Al

เกี่ยวขอ้งในปฏิกิรยิา แสดงวา่ Al เป็นขั2วแอโนด

คร ึง่เซลล์ดีบุกไอออน เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั ไมม่โีลหะ Sn เกี่ยวขอ้งในปฏิกิรยิา มแีต่ไอออนของดีบุกเท่านั 2น นัน่คือ ต้องใชข้ั 2วเฉ่ือยเป็นขั 2วแคโทด เชน่ Pt

แผนภาพเซลล์ไฟฟา้เคมคืีอAl (s) / Al3+ (aq) // Sn2+ (aq) , Sn4+ (aq) / Pt

(s)

ข.Zn(s) + 2H+(aq) Zn2+(aq) + H2(g)

eให้ - ออกซเิดชนั eรบั - รดีักชนั

คร ึง่เซลล์สงักะส ี เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั มโีลหะ Zn เกี่ยวขอ้งในปฏิกิรยิา แสดงวา่ใช ้ Zn เป็นขั2วแอโนด

คร ึง่ เซลล์ไฮโดรเจน เก ิดปฏ ิก ิรยิารดี ักชนั ไมม่ โีลหะเกี่ยวขอ้งกับปฏิกิรยิา มเีฉพาะก๊าซ H2 และ H+ เท่านั 2น แสดงวา่ ต้องใชข้ั 2วเฉ่ือยเป็นขั 2วแคโทด เชน่ Pt

แผนภาพเซลล์ไฟฟา้เคม ี คือZn (s) / Zn2+ (aq) / / H+ (aq) / H2 (g) / Pt (s)

ตัวอยา่ง เซลล์กัลวานิกที่ประกอบด้วยคร ึง่เซลล์โบรมนีและคร ึง่เซลล์ต่อกันดังรูป

จงตอบคำาถามต่อไปนี2ก. ระบุขั 2วแอโนดและขั2วแคโทดข. เขยีนสมการแสดงปฏิกิรยิาออกซเิดชนัและรดัีกชนัค. เขยีนสมการแสดงปฏิกิรยิารดีอกซ์ง. เขยีนแผนภาพของเซลล์ไฟฟา้เคมี

วธิทีำาก. ขั2วแอโนด คือ Pt ในครึง่เซลล์โบรมนี ขั2วแคโทด คือ Pt ในครึง่เซลล์คลอรนีข. ปฏิกิรยิาออกซเิดชนั คือ 2Br- (aq) Br2 (l) + 2e-

ปฏิกิรยิารดีักชนั คือ Cl2 (g) + 2e- 2Cl- (g)ค. ปฏิกิรยิารดีอกซ ์ คือ Cl2 (g) + 2Br- (aq) 2Cl-

(aq) + Br2 (l)ง. แผนภาพเซลล์ไฟฟา้เคม ีคือ

Pt (s) / Br2 (l) / Br- (aq) / / Cl- (aq) / Cl2 (g) / Pt (s)

ตัวอยา่ง เซลล์กัลวานิกที่ประกอบด้วยคร ึง่เซลล์ Pt (s) / Fe2+

(aq) , Fe3+ (aq) และครึง่เซลล์ Zn (s) / Zn2+ (aq) ต่อกันดังรูป

จงตอบคำาถามต่อไปนี2ก. ระบุขั 2วลบและขั2วบวกของเซลล์ข. เขยีนสมการแสดงปฏิกิรยิาออกซเิดชนั และรดัีกชนัค. เขยีนสมการแสดงปฏิกิรยิารดีอกซ์ง. เขยีนแผนภาพของเซลล์ไฟฟา้เคมี

วธิทีำาก. ขั2วลบคือขั 2วที่เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั คือ ขั 2ว Zn ในครึง่

เซลล์ Zn (s) / Zn2+ (aq) ขั2วบวก คือ ขั 2วที่เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั คือ ขั 2ว Pt ในคร ึง่

เซลล์ Pt (s) / Fe2+ (aq), Fe3+ (aq)ข. ปฏิกิรยิาออกซเิดชนั คือ Zn (s) Zn2+(aq) + 2

e-

ปฏิกิรยิารดีักชนั คือ 2Fe3+ (aq) + 2e- 2Fe2+

(aq)ค. ปฏิกิรยิารดีอกซ ์ Zn (s) + 2Fe3+ (aq)

Zn2+(aq) + 2Fe2+ (aq)ง. แผนภาพของเซลล์ไฟฟา้เคม ีคือ

Zn (s) / Zn2+ (aq) / / Fe2+ (aq) , Fe3+ (aq) / Pt (s)16.3.4 เซลล์ความเขม้ขน้

เซลล์ความเขม้ขน้ เป็นเซลล์กัลวานิกชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วย คร ึง่เซลล์ชนิดเดียวกันต่อเขา้ด้วยกันด้วยสะพานไอออน โดยสารละลายในแต่ละครึง่เซลล์มคีวามเขม้ขน้ต่างกัน

เซลล์ความเขม้ขน้ทองแดงเมื่อนำาคร ึง่เซลล์ Cu (s) / Cu2+ (aq, 1 mol/dm3 )

ต่อกับคร ึง่เซลล์ Cu (s) / Cu2+ (aq, 0.1 mol/dm3 ) ใหค้รบวงจรดังรูป 16.18

รูปที่ 16.18 เซลล์ความเขม้ขน้ทองแดงเมื่อนำาครึง่เซลล์ทั2งสอง มาต่อใหค้รบวงจร เขม็โวลต์มเิตอรเ์บน

จากคร ึง่เซลล์ Cu (s) / Cu2+ (aq, 0.1 mol/dm3 ) ซึ่งมศีักย์ไฟฟา้คร ึง่เซลล์ต ำ่ากวา่ไปยงัคร ึง่เซลล์ Cu (s) / Cu2+ (aq, 1

หมายเหต ุ ศักยไ์ฟฟา้ของคร ึง่เซลล์ขึ2นอยูก่ ับ ชนิดของคร ึง่ เซลล ์ อ ุณหภมู ิและความเข ม้ข น้ของสารละลายในคร ึง่เซลล์ กล่าวค ือ คร ึง่ เซลล์ชน ิดเดียวกัน ความเขม้ขน้ในสารละลายต่างกันจะมศีักย์ไฟฟา้ของครึง่เซลล์ต่างกัน และศักยไ์ฟฟา้ในครึง่เซลล์

mol/dm3 ) ซึ่งมศัีกยไ์ฟฟา้ครึง่เซลล์สงูกวา่ แสดงวา่ อิเล็กตรอนไหลจากขั2วในครึง่เซลล์ที่มคีวามเขม้ขน้น้อยไปสงูขั 2วในครึง่เซลล์ที่มีความเขม้ขน้มาก ซึ่งสามารถอธบิายได้ดังนี2

Cu (s) ในครึง่เซลล์ Cu (s) / Cu2+ (aq, 0.1 mol/dm3 ) ใหอิ้เล็กตรอนเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนัเป็นขั 2วแอโนด สว่น Cu (s)1 ในคร ึง่เซลล์ Cu (s) / Cu2+ (aq, 1 mol/dm3 ) รบัอิเล็กตรอนเกิดปฏิกิรยิารดัีกชนัเป็นขั 2วแคโทด

สมการของปฏิกิรยิาเกิดขึ2นดังนี2แคโทด (รดีักชนั) ; Cu2+ (aq, 1 mol/dm3 ) + 2e-

Cu (s) E = +0.33 Vแ อ โ น ด (อ อ ก ซ เิ ด ช นั ) ; Cu (s) Cu2+ (aq, 0.1

mol/dm3 ) + 2e- E = -0.307 Vปฏิกิรยิารดีอกซ ์ คือ ; Cu2+ (aq, 1 mol/dm3 ) Cu2+ (aq, 0.1 mol/dm3 ) Ecell = 0.030 V

เมื่อกระแสอิเล็กตรอนไหลในเซลล์ความเขม้ขน้สกัครูห่นึ่งจะพบวา่ครึง่เซลล์ Cu (s) / Cu2+ (aq, 0.1 mol/dm3 ) ความเขม้ขน้ของ Cu2+ เพ ิม่ขน้ สว่นคร ึง่ เซลล ์ Cu (s) / Cu2+ (aq, 1 mol/dm3 ) จะมคีวามเขม้ขน้ของ Cu2+ ลดลงจนกระทัง่เท่ากัน อิเล็กตรอนจะหยุดไหลขณะที่ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์เป็นศูนย์

จากเซลล์ความเขม้ขน้ขา้งต้นนี2เขยีนแผนภาพของเซลล์ดังนี2Cu (s) / Cu2+ (aq, 0.1 mol/dm3 ) / / Cu2+ (aq,

1 mol/dm3 ) / Cu (s)

ลักษณะสำาคัญของเซลล์ความเขม้ขน้1. อิเล็กตรอนจะไหลจากครึง่เซลล์ที่มคีวามเขม้ขน้น้อยไป

สูค่ร ึง่เซลล์ที่มคีวามเขม้ขน้มาก2. ขั2วในคร ึง่เซลล์ท ี่มคีวามเขม้ขน้น้อย เกิดปฏิกิรยิา

ออกซเิดชนัเป็นขั 2วแอโนด สว่นขั 2วในอีกคร ึง่เซลล์ที่มคีวามเขม้ขน้มากเกิดปฏิกิรยิารดัีกชนั (เป็นขั2วแคโทด)

3. เซลล์ความเขม้ขน้ที่สารละลายในครึง่เซลล์มคีวามเขม้ขน้ต่างกันยิง่มาก ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ก็ยิง่มค่ีามาก

แบบทดสอบท่ี 16.51. ปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นในเซลล์กัลวานิกเป็นดังนี2

X2 (g) + Y2 (g) 2X - (aq) + 2Y+ (g)จงตอบคำาถามต่อไปนี2ก. จงระบุขั 2วแอโนดและแคโทดข. สารใดเป็นตัวออกซไิดส ์และตัวรดิีวซ์ค. จงเขยีนปฏิกิรยิาออกซเิดชนั และรดีักชนัง. เขยีนแผนภาพของเซลล์กัลวานิกนี2

2. แผนภาพเซลล์กัลวานิก 2 เซลล์ เป็นดังนี2X (s) / X+ (aq) / / Y3+ (aq) / Y (s)W (s) / W+2 (aq) / / X+ (aq) / X (s)เมื่อนำาคร ึง่เซลล์ Y (s) / Y3+ (aq) มาต่อกับคร ึง่เซลล์ W

(s) / W+2 (aq) เป็นเซลล์กัลวานิกที่มแีผนภาพเซลล์เป็นอยา่งไร ? และเขยีนสมการที่เกิดขึ2นด้วย

3. เซลล์กัลวานิกที่เกิดจากครึง่เซลล์ Pt (s) / A2 (g) / A - (aq) กับครึง่เซลล์ Pt (s) / M+ (aq) / M 3+ (aq) ดังรูป

จงตอบคำาถามต่อไปนี2ก. บอกขั2วแอโนด และขั 2วแคโทดข. เขยีนสมการของปฏิกิรยิาออกซเิดชนั และรดัีกชนัค. เขยีนสมการของปฏิกิรยิารดีอกซ์ง. เขยีนแผนภาพของเซลล์กัลวานิก

4. กำาหนดแผนภาพของเซลล์กัลวานิกต่อไปนี2Zn (s) / Zn2+ (aq , 0.01 mol / dm3 ) / / Zn2+ (aq ,

0.1 mol / dm3 ) / Zn (s)จงเขยีนรูปและแสดงสว่นประกอบต่าง ๆ ของเซลล์กัลวานิกนี2

และบอกชื่อประเภทของเซลล์กัลวานิกนี2ด้วย พรอ้มทั2งเขยีนสมการแสดงปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นในแต่ละครึง่เซลล์นี2

เฉลยแบบทดสอบท่ี 16.51.แนวคิด

X2(g) + Y2(g) 2X-(aq) + 2Y+(aq)

ON เพิม่ ออกซเิดชนัON ลด รดัีกชนั

ก. ขั2วแอโนดคือ Pt ในคร ึง่เซลล์ Pt (s) / Y2 (g) / Y+

(aq) ขั2วแคโทด คือ Pt ในครึง่เซลล์ Pt (s) / X2 (g) / X -

(aq)ข. ตัวออกซไิดส ์ X2 และตัวรดิีวซ ์ Y2

ค. ปฏิกิรยิาออกซเิดชนั คือ Y2 (g) 2Y+ (aq) + 2e-

ปฏิกิรยิารดีักชนั คือ X2 (g) + 2e- 2X - (aq)ง. แผนภาพของเซลล์คือ

Pt (s) / Y2 (g) / Y+ (aq) / / X - (aq) / X2 (g) / Pt (s)

2.เฉลยX (s) / X+ (aq) / / Y3+ (aq) / Y (s)

- จากแผนภาพเซลล์แสดงวา่ ศักยไ์ฟฟา้ของคร ึง่เซลล์ X (s) / X+ (aq) น้อยกวา่ครึง่เซลล์ Y(s) / Y3+ (aq)

- ปฏิกิรยิารดีอกซค์ือ 3X (s) + Y3+ (aq) 3X+

(aq) + Y (s)แสดงวา่ Y3+ รบัอิเล็กตรอนได้ดีกวา่ X+

W (s) / W+2 (aq) / / X+ (aq) / X (s)- จากแผนภาพเซลล์แสดงวา่ ศักยไ์ฟฟา้ของคร ึง่เซลล์

W (s) / W+2 (aq) น้อยกวา่ครึง่เซลล์ X (s) / X+ (aq)- ปฏิกิรยิารดีอกซค์ือ W (s) + 2X+ (aq)

W2+ (aq) + 2X (s)แสดงวา่ X+ รบัอิเล็กตรอนได้ดีกวา่ W2+

เมื่อเรยีงลำาดับความสามารถในการชงิอิเล็กตรอนจากมากไปน้อย จะได้ดังนี2

Y3+ > X + > W2+

เซลล์กัลวานิกที่ประกอบด้วยครึง่เซลล์ Y (s) / Y3+ (aq) กับครึง่เซลล์ W (s) / W2+ (aq)

แผนภาพเซลล์คือ W (s) / W2+ (aq) / / Y3+ (aq) / Y (s)

ปฏิกิรยิารดีอกซค์ือ 2Y3+ (aq) + 3W (s) 2Y (s) + 3W2+ (aq)

3.เฉลยก. ขั2วแอโนด คือ Pt ในคร ึง่เซลล์ Pt (s) / A2 (g) / A-

(aq)

ขั2วแคโทด คือ Pt ในคร ึง่เซลล์ Pt (s) / M+ (aq) , M3+ (aq)

ข. ปฏิกิรยิาออกซเิดชนั คือ 2A- (aq) A2 (g) + 2e-

ปฏิกิรยิารดี ักชนั คือ M3+ (aq) + 2e- M+ (aq)

ค. ปฏิกิรยิารดีอกซ ์ 2A- (aq) + M3+ (aq) A2 (g) + M+ (aq)

ง. แผนภาพเซลล์ Pt (s) / A2 (g) / A - (aq) / / M+

(aq) , M3+ (aq) / Pt (s)

4.เฉลยแผนภาพของเซลล์กัลวานิก

Zn (s) / Zn2+ (aq , 0.01 mol / dm3 ) / / Zn2+

(aq , 0.1 mol / dm3 ) / Zn (s)รูปของเซลล์กัลวานิก

ปฏิกิรยิารดี ักชนั คือ Zn2+ (aq , 0.1 mol / dm3 ) + 2e- Zn (s)

ปฏิกิรยิาออกซเิดชนั Zn (s) Zn2+ (aq , 0.01 mol / dm3 ) + 2e-

เซลล์กัลวานิกนี2เป็นเซลล์ความเขม้ขน้

16.3.5 ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์

กระแสอิเล็กตรอน ที่เกิดจากเซลล์ไฟฟา้เคม ี เกิดจากแรงผลักอิเล็กตรอนออกจากขั 2วแอโนด ผ่านวงจรภายนอกไปยงัขั 2วแคโทด เมื่อกระแสไฟฟา้ไหลผ่านจุดสองจุดที่มศีักยไ์ฟฟา้ต่างกัน กระแสไฟฟา้จะไหลจากศักยไ์ฟฟา้สงูไปสูศั่กยไ์ฟฟา้ตำ่า ซึ่งมทีิศทางการไหลสวนทางกับการไหลของอิเล็กตรอน ความต่างศักยจ์ะวดัเป็นหน่วยโวลต์ เชน่ แบตเตอรมีคีวามต่างศักย ์ 6 โวลต์ (V)

ศักยไ์ฟฟา้ระหวา่งขั 2วของเซลล์ไฟฟา้เคม ี เรยีกวา่ ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ (E cell ) ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ขั 2นอยูก่ับความเขม้ขน้ของไอออนในเซลล์ อุณหภมู ิ และความดันยอ่ยของก๊าซที่เกี่ยวขอ้งกับปฏิกิรยิาของเซลล์

ถ้าศักยไ์ฟฟา้ระหวา่งขั 2วของเซลล์ไฟฟา้เคม ี(เซลล์กัลวานิก) หาได้จากการใชแ้ต่ละคร ึง่เซลล์ที่มคีวามเขม้ขน้ของไอออนมนเซลล์เท่ากับ 1 โมลต่อลิตร ความดันยอ่ยของก๊าซที่เกี่ยวขอ้งเท่ากับ 1 บรรยากาศ และทำาที่อุณหภมู ิ 25 องศาสเซลเซยีส ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์นี2เรยีกวา่ ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์มาตรฐาน ( 0

cellE )

การอธบิายศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ พลังงานที่เกิดขึ2นจากปฏิกิรยิารดีอกซ ์ ด้วยการเคลื่อน

อิเล็กตรอนผ่านวงจรภายนอกจากขั 2วหนึ่งไปยงัอีกขั 2วหนึ่งของเซลล์ไฟฟา้เคม ี ทำาใหเ้กิดศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ขึ2น และพลังงานนี2จะมากหรอืน้อยขึ2นกับกำาลังจากแรงผลักอิเล็กตรอนออกจากขั 2วแอโนดและแรงดึงดดูอิเล็กตรอนเขา้ข ั 2วแคโทด ในปฏิกิรยิารดีอกซถ์้าเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนัใหอ้ิเล็กตรอนอยา่งรวดเรว็ และเกิดปฏิกิรยิา

รดีักชนั รบัอิเล็กตรอนง่ายและรวดเรว็ ก็จะพบวา่เกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนอยา่งรุนแรง ปฏิกิรยิารดีอกซน์ี2ก็จะเกิดพลังงานปรมิาณมาก ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ก็จะมากขึ2นด้วย (กำาลังในการผลักและดดูอิเล็กตรอนของปฏิกิรยิาในเซลล์ถกูวดัในรูปศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ (E) เรยีกอีกอยา่งหนึ่งวา่ แรงเคล่ือนไฟฟา้ )

16.3.6 ศักยไ์ฟฟา้ของครึง่เซลล์เม ื่อนำาคร ึง่เซลล์ Zn (s) / Zn2+ (aq) , คร ึง่เซลล์ Cu

(s) / Cu2+ (aq) และครึง่เซลล์ Mg (s) / Mg2+ (aq) มาต่อเป็นเซลล์กัลวานิกแบบต่าง ๆ และต่อกับแกลวานอมเิตอรเ์ขา้ไปในวงจร และอ่านค่าศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ได้ดังตารางดังนี2

เซลล์ที่

เซลล์กัลวานิก ขั2วของแกลวานอมเิตอรเ์บน

เขา้

ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์

(V)12

Zn(s)/Zn2+ (aq) ต ่อก ับ Cu (s) / Cu2+ (aq)Cu (s) / Cu2+ (aq) ต ่อกับ Mg (s) / Mg2+ (aq)

CuCu

1.12.72

จากการทดลองจะเหน็ได้วา่เมื่อใชค้รึง่เซลล์ต่างกัน ค่าศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์จะไมเ่ท่ากัน แสดงวา่ค่าศักยไ์ฟฟา้ของแต่ละครึง่เซลล์มคี่าไมเ่ท่ากัน การวดัค่าศักยไ์ฟฟา้ของคร ึง่เซลล์ เพื่อหาค่าศักยไ์ฟฟา้ จะกระทำาโดยตรงไมไ่ด้ เนื่องจากครึง่เซลล์ไมค่รบวงจร แต่ถ้านำาครึง่เซลล์ 2 คร ึง่เซลล์มาต่อกันใหค้รบวงจรไฟฟา้ก็จะได้ค่าศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ ซ ึ่งก็ยงัไมส่ามารถทราบได้วา่แต่ละคร ึง่เซลล์มคี่าศักย์

ไฟฟา้เท่าใด ดังนั2นในทางปฏิบตัิ จงึหาค่าศักยไ์ฟฟา้ของครึง่เซลล์ได้โดยการเปรยีบเทียบ กล่าวคือ ต้องกำาหนดใหค้รึง่เซลล์ใดครึง่เซลล์หนึ่งเป็นครึง่เซลล์มาตรฐานซึ่งทราบค่าศักยไ์ฟฟา้แน่นอน แล้วจงึนำาไปต่อกับคร ึง่เซลล์อื่นที่ต้องการหาค่าศักยไ์ฟฟา้ (รายละเอียดได้กล่าวไวใ้นหวัขอ้ การหาค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์ แล้ว)

การใชค้รึง่เซลล์มาตรฐานแตกต่างกัน ก็จะทำาใหไ้ด้ค่าศักยไ์ฟฟา้ที่แตกต่างกันไปด้วย ดังนั 2น เพื่อไมใ่หเ้กิดความสบัสนนักเคมจีงึได้กำาหนดใหใ้ชเ้ซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานเป็นสากลในการเปรยีบเทียบ

ครึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard Hydrogen Electrode)

คร ึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard Hydrogen Electrode , SHE) เป ็นคร ึง่เซลล์มาตรฐานสากลที่ใชเ้ปรยีบเทียบหาค่าศักยไ์ฟฟา้ของครึง่เซลล์ที่ต้องการ คร ึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาต รฐ านป ระ กอบด ้วย ข ั 2ว ไฟ ฟ า้ ท ี่ท ำา ด ้ว ย แ พ ลท ิน ัมแ บล ก (Platinum back) จ ุม่ ในสารละลายกรด HCl เข ม้ข น้ 1 โมล/ลิตร มกี๊าซ H2 ผ่านลงในสารละลายตลอดเวลา ก๊าซที่ใชน้ี 2มีความดัน 1 บรรยากาศ (atm) และแพลทินัมแบลกที่ใชเ้ป็นขั 2วไฟฟา้ต้องทำาใหม้พี ื2นที่ผิวมาก มรี ูพรุน เพ ื่อใหเ้กิดปฏิก ิรยิาได้รวดเรว็ขึ2น และรกัษาสมดลุระหวา่ง H2 และ H+ ในสารละลายดังสมการ (อุณหภมู ิ 25 0C)

2H+ (aq , 1 mol / dm3 ) + 2e- H2 (g , 1 atm)

Pt

รูป 16.19 ครึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานเนื่องจากคร ึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานใชเ้ป ็นสากลในการ

เปรยีบเทียบ จงึกำาหนดค่า ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของคร ึง่เซลล ์(E0 ) เท่ากับ 0.00 โวลต์ และเขยีนแผนภาพของคร ึง่เซลล์เป็น Pt (s) / H2 (1 atm) / H+ ( 1 mol / dm3 ) คร ึง่ เ ซ ลล ์ไฮโดรเจนมาตรฐาน อาจจะเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั หรอืรดีักชนั ทั2งนี2ขึ2นอยูก่ับครึง่เซลล์ที่นำามาต่อด้วยปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2น และค่าศักย์ไฟฟา้แสดงได้ดังนี2

ครึง่ปฏิกิรยิาไฮโดรเจนมาตรฐาน

ศักยไ์ฟฟา้ครึง่เซลล์มาตรฐาน

ออกซเิดชนั H2 (g) 2H+ (aq) + 2e-

รดัีกชนั 2H+ + 2e- H2

0.00 โวลต์0.00 โวลต์

ก. ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์เมื่อนำาครึง่เซลล์ที่ต้องการทราบค่าศักยไ์ฟฟา้ของครึง่เซลล์

มาต่อเขา้กับคร ึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน ค่าศักยไ์ฟฟา้ที่หาได้นั 2น จะเรยีกวา่ ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของคร ึง่ เซลล ์ (ก ำาหนด

สญัลักษณ์ คือ E 0 ) ถ้าทดลองโดยใชค้ร ึง่เซลล์ที่ประกอบด้วยสารละลายเขม้ขน้ 1 โมลต่อลิตร และถ้ามกี๊าซเกี่ยวขอ้งด้วยต้องมีความดัน 1 บรรยากาศ (atm) ที่อุณหภมู ิ 25 องศาเซลเซยีส

ข. การหาค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์ (E 0 )

การหาค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของคร ึง่เซลล์ในทางปฏิบตั ิสามารถทำาได้ดังนี2

1. นำาคร ึง่เซลล์ที่ต้องการหาค่า E 0 นั2นมาต่อเป็นเซลล์กัลวานิกกับคร ึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานใหค้รบวงจรโดยมีโวลต์มเิตอรต์่ออยูด่้วย แล้วอ่านค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของเซลล์

2. สงัเกตการเบนของเขม็โวลต์มเิตอร ์ ขั 2วที่เขม็เบนออกจะเป็นขั2วที่เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั (ขั2วลบ) ซึ่งเรยีกวา่ขั 2วแอโนด และขั2วที่เขม็เบนเขา้หา จะเป็นขั 2วที่เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั (ขั2วบวก) ซึ่งเรยีกวา่ขั 2วแคโทด)

3. กำาหนดใหค้่าครึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานมค่ีา E 0 = 0.00 โวลต์

4. นำาค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของเซลล์ที่อ่านได้ มาคำานวณหาศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์ได้จากสตูร

0cellE = ศักยไ์ฟฟา้สงู - ศักยไ์ฟฟา้ต ำ่า

หรอื 0

cellE = 0cathodeE - 0

anodeE

เมื่อ 0cellE = ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของเซลล์ที่อ่านได้

จากโวลต์มเิตอร์ 0

cathodeE = ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์ที่เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั (ขั2วบวก)

0anodeE = ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของคร ึง่เซลล์ที่เกิด

ปฏิกิรยิาออกซเิดชนั (ขั2วลบ)

แคโทดแอโนด

รูปที่ 16.20 ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของเซลล์สามารถหาได้จากผลต่างระหวา่งศักยไ์ฟฟา้มาตรฐาน

ของครึง่เซลล์ที่แอโนดและแคโทด

ตัวอยา่งการหาค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์

ครึง่เซลล์สงักะสตี่อกับครึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน

รูปที่ 16.21 การหาศักยไ์ฟฟา้ของครึง่เซลล์สงักะสโีดยการต่อกับครึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน

เม ื่อต ่อคร ึง่เซลล์สงักะสมีาตรฐานกับคร ึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน โดยมโีวลต์มเิตอรต์่ออยูด้่วยเป็นเซลล์กัลวานิก พบวา่เขม็ของโวลต์มเิตอรเ์บนจากขั 2ว Zn ไปยงัขั2ว Pt ที่ผ่านด้วย H2 (g) แสดงวา่ ขั 2ว Zn ใหอ้ิเล็กตรอนเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั เป็นขั 2วแอโนด และขั 2ว Pt (H2) รบัอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั เป็นข ั2วแคโทด และอ่านค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของเซลล์ได้เท ่ากับ 0.763 โวลต์

เนื่องจากใชค้ร ึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานเป็นสากลในการเปรยีบเทียบหาค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์สงักะส ี จงึให ้

0

HE = 0.00 โวลต์

จากสตูร0cellE = 0

cathodeE - 0anodeE

แทนค่า0.763 = 0.00 - 0

2ZnE

02Zn

E = -0.763 โวลต์

และศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์สงักะสเีท่ากับ -0.763 โวลต์ ค่านี2เรยีกวา่ ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์รดีักชนั ( 0

2ZnE

) นั2นคือZn2+ (aq) + 2e- Zn (s) 0

2ZnE =

-0.763 โวลต์แผนภาพของเซลล์สงักะสี-ไฮโดรเจนมาตรฐานคือ

Zn (s) / Zn2+ (1 mol / dm3 ) / / H+ ( 1 mol /dm3 ) / H2 (g , 1 atm ) / Pt (s)

เซลล์ทองแดงกับครึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน

หมายเหตุ ค่า E0 ที่คำานวณได้จากสตูร 0cellE =

0cathodeE - 0

anodeE เป็นค่า E0 แบบรดีักชนั ไมว่า่จะเป็นครึง่เซลล์ที่แคโทดหรอืครึง่เซลล์แอโนด คือ เป็นศักยไ์ฟฟา้ของครึง่เซลล์มาตรฐานรดัีกชนั เป็นค่า E0

ที่แสดงถึงความสามารถในการรบัอิเล็กตรอน ดัง

รูปที่ 16.22 แสดงครึง่เซลล์ทองแดงมาตรฐานกับครึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน

เมื่อต่อครึง่เซลล์ทองแดงกับครึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน โดยมโีวลต์มเิตอรต์่ออยูด่้วยเป็นเซลล์กัลวานิก พบวา่ เขม็ของโวลต์มเิตอรเ์บนจากขั2ว Pt (H2) ไปยงัขั2ว Cu แสดงวา่ขั 2ว Pt (H2) ให้อิเล็กตรอนเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั เป็นขั 2วแอโนด และขั 2ว Cu รบัอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั เป็นขั 2วแคโทด และอ่านค่าศักย์ไฟฟา้มาตรฐานของเซลล์ได้ เท่ากับ 0.337 โวลต์

เนื่องจากใชค้รึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานในการเปรยีบเทียบหาค่า 0

2CuE จงึให้

0

HE = 0.00 โวลต์

จากสตูร0cellE = 0

cathodeE - 0anodeE

แทนค่า0.337 = 0

2CuE - 0.00

02Cu

E = +0.337 โวลต์

และศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์สงักะสเีท่ากับ +0.337 โวลต์ ค่านี2เรยีกวา่ ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์รดีักชนั ( 0

2CuE

) นั2นคือCu2+ (aq) + 2e- Cu (s) 0

2CuE =

+0.34 โวลต์แผนภาพของเซลล์สงักะสี-ไฮโดรเจนมาตรฐานคือ

Pt (s) / H2 (g , 1 atm ) / H+ ( 1 mol /dm3 ) / / Cu2+ (1 mol / dm3 ) / Cu (s)

การหาค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของคร ึง่เซลล์ด้วยวธิเีดียวกันนี 2สามารถจะหาค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของคร ึง่เซลล์ต่าง ๆ ได้ดังตารางที่ 16.5 ดังนี2

ตารางที่ 16.5 แสดงค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์ (E0 ) ต่าง ๆที่ 25 0C

ลักษณะสำาคัญของค่า E0 ของครึง่เซลล์

1. ค่า E0 ของครึง่เซลล์ในตารางท่ี 16.5 เป็นค่าศักย์ไฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์รดัีกชนั ซึ่งแสดงถึงความสามารถในการรบัอิเล็กตรอนของสาร โดยหาได้จากการเปรยีบเทียบกับครึง่เซลล์ไฮดดรเจนมาตรฐาน

เนื่องจากค่า 0

HE = 0.00 โวลต์ ดังนั 2นถ้า E0 ของ

ครึง่เซลล์ใดมคี่าน้อยกวา่ 0.00 โวลต์ คือมค่ีาติดลบ แสดงวา่ สารคร ึง่เซลล์นั 2นจะรบัอิเล็กตรอนได้ส ู ้ H+ ในคร ึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานไมไ่ด้ และถ้า E0 ของคร ึง่เซลล์ใดมคี่ามากกวา่ 0.00 โวลต์ คือมคี่าเป็นบวก แสดงวา่ สารในคร ึง่เซลล์นั 2นสามารถรบัอิเล็กตรอนได้ดีกวา่ H+ ในครึง่เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน

2. ค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์ ม ี 2 แบบ คือ2.1 ศ ักย ไ์ฟฟ า้ มาต รฐ านข อง คร ึง่ เ ซล ล ์ร ดี ักช นั

(Standard Reduction Potential) สญัลักษณ์คือ 0rE เป็นค่า

ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์ที่แสดงถึงความสามารถในการรบัอิเล็กตรอน ซึ่งเขยีนด้วยสมการของปฏิกิรยิารดีักชนั ดังนี2

Mn+ (aq) + ne- M (s) 0rE

2.2 ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของคร ึง่ เซลล์ออกซเิดชนั (Standard Oxidation Potential) สญัลักษณ์คือ 0

OE เป็นค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์ที่แสดงถึงความสามารถในการให้อิเล็กตรอน ซึ่งเขยีนด้วยสมการของปฏิกิรยิาออกซเิดชนัดังนี2

M(s) Mn+ (aq) + ne- 0OE

* ครึง่เซลล์ใด ๆ ที่ไมไ่ด้กำาหนดสมการของปฏิกิรยิา แต่กำาหนดค่า E0 อยา่งเดียว ค่า E0 ที่กำาหนดใหน้ั 2นหมายถึง 0

rE เพราะค่า 0

rE เป็นค่าที่ใชเ้ป็นหน่วย SI3. หลักเกณฑ์คณิตศาสตรก์ับค่า E0 ของครึง่เซลล์

การใชห้ลักเกณฑ์คณิตศาสตร ์กับค่า E0 โดยไมต่ ้องคำานึงถึงประเภทของค่า E0

3.1 คณูหรอืหารตัวเลขใด ๆ เขา้ไปในสมการเคม ี ค่า E0

คงที่ไมเ่ปลี่ยนแปลง เพราะค่า E0 เป็นค่ามาตรฐานที่ 25 0C 1 atm และสารละลายเขม้ขน้ 1 mol/dm3

3.2 สมการของปฏิกิรยิาเขยีนกลับขา้งกัน ค่า E0 ก ็ต้องเปลี่ยนเคร ื่องหมายเป็นตรงขา้มด้วย (จากบวกลบ , จากลบ บวก) ดังนี2

Cu2+ (aq) + 2e- Cu(s) 02Cu

E = +0.34 โวลต์

ถ ้า Cu (s) Cu2+ (aq) + 2e-

02Cu

E = -0.34 โวลต์

3.3 ถ้าสมการของปฏิกิรยิาบวกกัน ค่า E0 ต้องบวกกัน และถ้านำาสมการของปฏิกิรยิามาลบกันค่า E0 ต้องลบกันด้วย ดังนี2

สมการของปฏิกิรยิาบวกกัน(1) , Cu2+ (aq) + 2e- Cu(s) 0

1E = +0.34 โวลต์

(2) , Zn (s)Zn2+ (aq) + 2e- 02E = -

0.763 โวลต์(1) + (2) ; Cu2+ (aq) + Zn (s) Cu(s)+ Zn2+ (aq)

0Eรวม = (+0.34) + (0.76) = +1.1 V

สมการลบกัน(3) Cu2+ (aq) + 2e- Cu(s) 0

3E = +0.34 โวลต์

(4) Mg2+ (aq) + 2e- Mg (s) 04E

= -2.38 โวลต์(3)-(4) ; Cu2+ (aq) - Mg2+ (aq) Cu(s) - Mg (s)

0Eรวม = (+0.34)- (-2.38)หร อื เข ยีน ใหม ไ่ด ้ว า่ ; Cu2+ (aq)+ Mg (s) Cu(s)+

Mg2+ (aq) 0Eรวม = 2.72 โวลต์

4. ความแรงของตัวออกซไิดซแ์ละตัวรดีิวซข์องธาตแุละไอออนของธาตกุับค่า E0

4.1 ธาตอุโลหะหรอืไอออนบวกของโลหะที่มคี่า E0 มาก จะเป็นตัวออกซไิดสท์ี่แรง และตรงกันขา้ม ไอออนลบของอโลหะ หรอื ธาตโุลหะนั2นก็จะเป็นตัวรดีิวซท์ี่อ่อน เชน่

Cl2 มคี่า E0 = +1.36 V (มคี่ามาก) แสดงวา่ Cl2 เป็นตัวออกซไิดสท์ี่แรง แต่ในทางตรงขา้ม Cl- จะเป็นตัวรดิีวซท์ี่อ่อน

Ag+ มคี่า E0 = +0.80 V (มคี่ามาก) แสดงวา่ Ag+ เป็นตัวออกซไิดสท์ี่แรง แต่ในทางตรงขา้ม Ag จะเป็นตัวรดิีวซท์ี่อ่อน

4.2 ธาตอุโลหะหรอืไอออนบวกของโลหะที่มคี่า E0 น้อย จะเป็นตัวออกซไิดสท์ี่อ่อน และตรงกันขา้ม ไอออนลบของอโลหะ หรอื ธาตโุลหะนั2นก็จะเป็นตัวรดีิวซท์ี่แรง เชน่

S8 มคี่า E0 = -0.48 V (มคี่าน้อย) แสดงวา่ S8

เป็นตัวออกซไิดสท์ี่อ่อน แต่ในทางตรงขา้ม S2- จะเป็นตัวรดีิวซท์ี่แรง

Na+ มคี่า E0 = -2.71 V (มคี่าน้อย) แสดงวา่ Na+ เป็นตัวออกซไิดสท์ี่อ่อน แต่ในทางตรงขา้ม Na จะเป็นตัวรดิีวซท์ี่แรง

5. เซลล์กัลวานิกใด ๆ จะได้วา่ครึง่เซลล์ใดที่มคี่า E0 สงูกวา่ จะรบัอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั ขั 2วในคร ึง่เซลล์นั 2นจะเป็นขั2วแคโทด (ขั2วบวก) และคร ึง่เซลล์ใดที่มคี่า E0 ตำ่ากวา่จะให้อิเล็กตรอนเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั ขั 2วในครึง่เซลล์นั 2นจะเป็นแอโนด (ขั2วลบ)

6. ศักยไ์ฟฟา้ของครึง่เซลล์ขึน้อยูก่ับอุณหภมูิ ความเขม้ขน้ของสารละลายในคร ึง่เซลล์ และขึ2นอยูก่ับชนิดของคร ึง่เซลล์ เชน่ ศักยไ์ฟฟา้ของคร ึง่เซลล์เปลี่ยนตาม(แปรผันตรง)กับความเขม้ขน้

ของสารละลายครึง่เซลล์นั 2น แต่แปรผกผันกันกับอุณหภมูขิองครึง่เซลล์นั2น ๆ

7. E0 ของครึง่เซลล์ไมข่ึน้อยูก่ับอัตราการเกิดปฏิกิรยิา กล่าวคือ ครึง่เซลล์ที่มคี่า E0 มากหรอืน้อย อัตราการเกิดปฏิกิรยิาอาจจะเรว็หรอืชา้ก็ได้

ค. การนำาค่า E0 ของครึง่เซลล์ไปใช้1. ใชค่้า E0 บอกความแรงของตัวออกซไิดสแ์ละความแรง

ของตัวรดิีวซ์

ตัวอยา่ง สารในขอ้ใดต่อไปนี2เป็นตัวออกซไิดสท์ี่แรงที่สดุก. H2O2 ในกรด ข. H2O2 ในกรด ค .

MnO4- ในกรด

ง. MnO4- ในเบส จ. CrO4

2- ในกรด(ใชค้่า E0 ของสารที่ต้องการในตารางที่ 16.5)

วธิทีำา จากตารางค่า E0 ของสารต่าง ๆ เขยีนสมการของปฏิกิรยิารดัีกชนัของครึง่เซลล์ได้ดังนี2

ก. H2O2 + 2H+ + 2e- H2OE0 = +1.776 Vข. H2O2 + 2e- 2OH- 2OH-

E0 = +0.88 Vค. MnO4

- + 8H+ +5e- Mn2+ + 4H2O E0 = +1.491 V

ง. MnO4- + 2H2O + 3e- Mn2+

+ 4OH- E0 = +0.588 Vจ. CrO4

2- + 8H+ + 3e- Cr 3+

+ 4H2O E0 = +1.195 Vเนื่องจากค่า E0 ของ H2O2 ในขอ้ ก. มคี่ามากที่สดุ ดังนั 2น

H2O2 ในกรดจงึเป็นตัวออกซไิดสท์ี่แรงที่สดุ

2. ใชค้่า E0 อธบิายสว่นประกอบต่าง ๆ ของเซลล์กัลวานิกพรอ้มทั้งเขยีนแผนภาพของเซลล์กัลวานิกได้ตัวอยา่ง เซลล์กัลวานิกเซลล์หนึ่งประกอบด้วยครึง่เซลล์อะลมูเินียมมาตรฐานกับครึง่เซลล์เหล็กมาตรฐาน จงตอบคำาถามต่อไปนี2

ก. ขั2วใดเป็นขั2วแอโนดและแคโทด ตามลำาดับข. เขยีนสมการที่เกิดขึ2นในแต่ละครึง่เซลล์ค. เขยีนสมการของปฏิกิรยิารดีอกซ์ง. เขยีนแผนภาพเซลล์

(ใชค้่า E0 ของครึง่เซลล์ในตารางที่ 16.5)วธิทีำา ขอ้มูลจากตารางเป็นดังนี2

Al3+ (aq) + 3e- Al (s) E0

= -1.706 VFe2+ (aq) + 2e- Fe (s) E0

= -0.409 Vก. เนื่องจากค่า 0

Fe2E > 0Al3

E แสดงวา่ คร ึง่เซลล์อะลมูเินียมมาตรฐาน ใหอ้ิเล็กตรอนเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั ดังนั 2น Al จงึเป็นขั2วแอโนด และคร ึง่เซลล์เหล็กมาตรฐานรบัอิเล็กตรอนเกิดปฏิกิรยิารดีักชนั ดังนั 2น Fe จงึเป็นขั2วแคโทด

ข. ปฏิกิรยิาออกซเิดชนั Al (s) Al3+ (aq) + 3e-

ปฏิกิรยิารดีักชนั Fe2+ (aq) + 2e- Fe (s)

ค. ปฏิกิรยิารดีอกซ์ 2Al (s) + 3Fe2+ (aq) 2Al3+ (aq) + 3Fe (s)

ง. แผนภาพเซลล์กัลวานิกนี2คือ Al (s) / Al3+ (aq) / / Fe2+ (aq) / Fe (s)

3. ใชค้่า E0 คำานวณหาค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของเซลล์ ( 0

cellE ) หรอืแรงเคลื่อนไฟฟา้ของเซลล์หรอืโวลเตจของเซลล์

ตัวอยา่ง จงคำานวณหาค่าศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของเซลล์กัลวานิก ที่ประกอบด้วยคร ึง่เซลล์มาตรฐาน Zn (s) / Zn2+ (aq) ต่อกับครึง่เซลล์มาตรฐาน Ag (s) / Ag+ (aq)

(ใชค้่า E0 ของครึง่เซลล์ที่ต้องการในตารางที่ 16.5)วธิทีำาท่ี 1 ใชส้ตูรคำานวณ ค่า E0 ที่จะแทนในสตูรต้องเป็นค่าศักย์ไฟฟา้มาตรฐานของครึง่เซลล์รดีักชนั(ดังปรากฏในตารางที่ 16.5 ) ทั2งหมด ไมว่า่ครึง่เซลล์นั 2นจะเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนัหรอืรดีักชนั

จากตารางจะได้วา่ 0Ag

E = +0.80 V และ 0Zn2E = -

0.76 Vค่า 0

AgE > 0

2ZnE แสดงวา่ขั 2วสงักะสเีป็นขั 2วแอโนด และขั 2วเงิน

เป็นขั2วแคโทดจากสตูร

0cellE = 0

cathodeE - 0anodeE

แทนค่า0cellE = (+0.80) - (-0.76) = 1.56 V

เพราะฉะนั2นศักยไ์ฟฟา้มาตรฐานของเซลล์ = 1.56 V

วธิทีำาท่ี 2 ใชว้ธิคีณิตศาสตร ์ (ไมต่้องคำานึงถึงประเภทของ E0 )หลัก 1.ทำาจำานวนอิเล็กตรอนในสมการของปฏิกิรยิาเท่ากัน

2.นำาสมการมาบวกหรอืลบกันเพื่อใหอ้ิเล็กตรอนหมดไป ค่า E0 ของคร ึง่เซลล์ก็บวกหรอืลบกันด้วย ผลลัพธข์องค่า E0

สทุธกิ็คือ 0cellE

Zn2+ (aq) + 2e- Zn (s) 01E = -0.76

V ……….. (1)Ag+ (aq) + e- Ag (s) 0

2E = +0.80 V ……….. (2)

(2) x 2; 2Ag+ (aq) + 2e- 2Ag (s) 02E

= +0.80 V ……….. (3)(3) - (1) ; 2Ag+ (aq) - Zn2+ (aq) 2Ag(s) -

Zn(s) 0Eรวม = (+0.80)- (-0.76)

2Ag (aq) + Zn (s) 2Ag (s) + Zn2+

(aq) 0cellE = 1.56 V

4. ใชค่้า E0 ทำานายทิศทางของปฏิกิรยิารดีอกซ์หลักทัว่ไปสามารถใชค้่า E0 ทำานายทิศทางของปฏิกิรยิารดีอก

ซ ์ ได้ดังนี21. ถ้า 0

cellE มเีครื่องหมายเป็นบวก หรอืมคี่ามากกวา่ศูนย์ แสดงวา่ปฏิกิรยิารดีอกซน์ั 2นสามารถเกิดขึ2นได้ตามสมการที่เขยีน หรอืสมการนั2นเกิดขึ2นได้เอง

2. ถ้า 0cellE มเีคร ื่องหมายเป็นลบ หรอืมคี่าน้อยกวา่ศูนย์

แสดงวา่ปฏิกิรยิารดีอกซน์ั 2นไมส่ามารถเกิดขึ2นได้ตามสมการที่เขยีน หรอืสมการนั2นเกิดขึ2นในทิศทางยอ้นกลับ

3. ถ้า 0cellE = 0 แสดงวา่ปฏิกิรยิารดีอกซท์ี่เกิดขั 2นขณะ

นั2นเขา้สูภ่าวะสมดลุ

ตัวอยา่ง กำาหนด 02Ni

E = -0.25 V , 02Zn

E = -0.76 และ 02Cu

E

= +0.34 Vปฏิกิรยิารดีอกซ ์ Zn (s) + Ni2+ Zn2+ (aq)

+ Ni (s)หาค่า 0

cellE ได้ดังนี2จากสตูร

0cellE = 0

2NiE (แคโทด) - 0

2ZnE ( แอโนด)

แทนค่า0cellE = (-0.25) - (-0.76) = +0.51

Vเนื่องจากค่า 0

cellE > 0 แสดงวา่ปฏิกิรยิารดีอกซน์ี2เกิดขึ2นได้เอง

ปฏิกิรยิา Cu (s) + Ni2+ (aq) Cu2+ (aq) + Ni (s)

หาค่า 0cellE ได้ดังนี2

จากสตูร0cellE = 0

2NiE (แคโทด) - 0

2CuE ( แอโนด)

แทนค่า0cellE = (-0.25) - (+0.34) = -0.59

V

เนื่องจากค่า 0cellE < 0 แสดงวา่ปฏิกิรยิารดีอกซน์ี2เกิดขึ2น

เองตามสมการที่เขยีนไมไ่ด้ แต่สามารถเกิดขึ2นได้ในทิศทางยอ้นกลับคือ

Cu2+ (aq) + Ni (s) Cu (s) + Ni2+ (aq)

คำาอธบิายเพิม่เติม : ถ้าจุม่โลหะสงักะสลีงในสารละลาย NiCl2

(Ni2+ (aq) ) จะเกิดปฏิกิรยิา พบวา่เกิดโลหะนิกเกิล และถ้าจุม่โลหะทองแดงลงในสารละลาย NiCl2 (Ni2+ (aq) ) จะไมเ่กิดปฏิกิรยิา (ไมพ่บการเปลี่ยนแปลงใด ๆ เกิดขึ2น) แต่ถ้าจุม่โลหะนิกเกิลลงในสารละลาย CuCl2 จะเกิดปฏิก ิรยิา ค ือเก ิดโลหะทองแดง และได้สารละลายสเีขยีวของ Ni2+ (aq)

5. ใชค่้า E0 หาค่า E0 ของครึง่เซลล์อื่น ๆ

ตัวอยา่ง เซลล์ไฟฟา้เคมชีนิดหนึ่งเกิดปฏิกิรยิาดังนี2Fe3+ (aq) + Cu2+ (aq) Cu2+ (aq) + Fe2+

(aq) 0cellE = +0.62 V

จงตอบคำาถามต่อไปนี2ก. เขยีนรูปสมการเซลล์ไฟฟา้เคมนีี2และ

(1) ระบุรายชื่อเกลือของ Cu และ Fe ที่เหมาะสมสำาหรบัปฏิกิรยิานี2

(2) ชนิดของขั2วที่ใชค้วรทำาจากอะไร และขั 2วใดเป็นขั 2วแอโนด และแคโทดตามลำาดับ

(3)เขยีนทิศทางการไหลของอิเล็กตรอน

ข. สารใดเป็นตัวออกซไิดส ์และตัวรดิีวซ์ค. เขยีนแผนภาพแสดงเซลล์ไฟฟา้เคมนีี2ง. ถ้า Fe3+ (aq) + e- Fe2+ (aq)

0cellE = +0.77 V

จงหาค่า E0 ของสมการ Cu2+ (aq) + e- Cu+ (aq)วธิทีำา

ก. จากสมการของปฏิกิรยิาที่กำาหนดใหน้ี2 ไมม่โีลหะรวมอยู่ด้วยในปฏิกิรยิา มแีต่ไอออนของโลหะต่าง ๆ แสดงวา่ทกุครึง่เซลล์ใช้ขั 2วเฉ่ือยทั2งหมด เชน่ Pt

เซลล์ไฟฟา้เคมนีี2มคี่า 0cellE > 0 แสดงวา่ ปฏิกิรยิาเกิด

ขึ2นตามสมการที่เขยีนเป็นเซลล์กัลวานิก ดังนั 2นรูปแสดงเซลล์ไฟฟา้เขยีนได้ดังนี2

1. สารละลาย เกล ือของ Cu ค ือ CuCl2 , Cu2Cl2

เป็นต้น สว่นสารละลายเกลือของ Fe คือ FeCl2 , FeCl32. ขั2ว P อิเล็กตรอนไหลออก เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั เป็น

ขั2วแอโนด และขั 2ว Q อิเล็กตรอนไหลเขา้ เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั เป็นขั2วแคโทด สารที่ใชเ้ป็นขั 2วเฉ่ือย เชน่ Pt หรอื แกรไ์ฟต์

3. อิเล็กตรอนไหลจากขั 2ว P ไปยงัขั2ว Q , Cu+ (aq) เคล่ือนเขา้หาขั 2ว P ไปใหอิ้เล็กตรอน สว่น Cu2+ (aq) เคลื่อนออกจากขั2ว P สำาหรบั Fe3+ เคลื่อนเขา้หาขั 2ว Q ไปรบัอิเล็กตรอน เกิด Fe2+ และ Fe2+ (aq) เคล่ือนออกจากขั2ว Q

ข. Fe3+ เป็นตัวออกซไิดส ์ Cu+ เป็นตัวรดีิวซ์ค. แผนภาพของเซลล์คือ Pt (s) / Cu+ (aq) / / Fe3+

(aq) / Fe2+ (aq) / Pt (s)ง. จากสตูร

0cellE = 0

cathodeE - 0anodeE

แทนค่า0cellE = 0

3FeE - 0

CuE

+0.62 = +0.77 - 0

CuE

0

CuE = +0.15 V

แ ส ด ง ว า่ Cu2+ (aq) + e- Cu+ (aq) E0 = +0.15 V

แบบทดสอบท่ี 16.61.รูปแสดงเซลล์กัลวานิก ประกอบด้วยขั 2ว Ni มาตรฐาน และขั 2ว M มาตรฐาน ปฏิกิรยิาครึง่เซลล์ Ni (s) / Ni2+ (aq) ดังนี2

Ni2+ (aq) + 2e- Ni (s) E0 = -0.246 V

จากการวดัค่า 0cellE และชนิด M (s) ที่ใช ้ ดังตารางขา้งล่าง

จงหาค่า E0 ของ M2+(aq) + 2e- M (s) ถ้าเซลล์กัลวานิกทกุเซลล์

เขม็โวลต์มเิตอรเ์บนเขา้หาขั 2ว Ni

ขอ้ M 0cellE (V)

ก CrCo

+0.664+0.31

ขค

Cd +1.57

2.เซลล์ไฟฟา้เคม ี 2 เซลล์ เกิดปฏิกิรยิาดังสมการV2+ + VO2+ + 2H+ 2V3+ + H2O

0cellE = 0.616 V

V3+ + Ag+ + H2O VO2+ + 2H+ + Ag 0

cellE = 0.439 Vกำาหนด 0

AgE = +0.80 V จงคำานวณหาค่า E0 ของ V3+

+ e V2+

3.จงทำานายวา่ปฏิกิรยิารดีอกซใ์ดต่อไปนี2สามารถเกิดได้ตามสมการที่เขยีนนี2

ก. Sn(s) + Zn2+ (aq) Sn2+ (aq) + Zn (s)ข . 2Fe3+ (aq) + 2I- (aq) 2Fe2+ (aq) + I2

(aq)ค. 4NO3

- (aq) + 4H+ (aq) 3O2 (g) + 4NO (g) + 2H2O (l)

เฉลยแบบทดสอบท่ี 16.61.เฉลยแนวคิด เซลล์กัลวานิกทกุเซลล์ที่สรา้งขึ2นเบนเขา้หาขั 2ว Ni แสดงวา่ คร ึง่เซลล์ M เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนัและคร ึง่เซลล์ Ni เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั ขั 2ว M เป็นแอโนด และขั 2ว Ni เป็นแคโทด

ก. เซลล์กัลวานิกที่เกิดจากคร ึง่เซลล์โครเมยีม กับคร ึง่เซลล์นิกเกิล

จากสตูร0cellE = 0

cathodeE - 0anodeE

แทนค่า+0.664 = (-0.246) - 0

2CrE

02Cr

E = -0.91 V

ข. เซลล์กัลวานิกที่เกิดจากคร ึง่เซลล์โคบอลต์กับคร ึง่เซลล์นิกเกิล

จากสตูร0cellE = 0

cathodeE - 0anodeE

แทนค่า+0.31 = (-0.246) - 0

2CoE

02Co

E = -0.556 V

ค. เซลล์กัลวานิกที่เกิดจากคร ึง่เซลล์แคดเมยีมกับคร ึง่เซลล์นิกเกิล

จากสตูร0cellE = 0

cathodeE - 0anodeE

แทนค่า+0.157 = (-0.246) - 0

2CdE

02Cd

E = -0.403 V

2.แนวคิดสมการแสดงปฏิกิรยิาของเซลล์ 2 เซลล์(1) V2+ + VO2+ + 2H+ 2V3+ + H2O

0cellE = 0.616 V

(2) V3+ + Ag+ + H2O VO2+ + 2H+ + Ag 0

cellE = 0.439 V(1) + (2) ; V2+ + VO2+ + 2H+ + V3+ + Ag+ + H2O 2V3+ + H2O + VO2+ + 2H+ + Ag

0E รวม = (0.616)+(0.439) Vจะได้ V2+ + Ag+ 2V3+ + Ag

0Eรวม = 1.055 V

จากสตูร0cellE = 0

cathodeE - 0anodeE

แทนค่า

+1.055 = (+0.80) - 03V

E

03V

E = -0.255 Vแสดงวา่ V3+ + e V2+ E0 = -0.255 V

3.เฉลยก. จากสตูร

0cellE = 0

cathodeE - 0anodeE

แทนค่า 0

cellE = (-0.76) - (-0.1364) 0

cellE = -0.6236 Vเน่ืองจากค่า 0

cellE < 0 แสดงวา่ปฏิกิรยิานี2ไมเ่กิดตามที่เขยีน

ข. จากสตูร0cellE = 0

cathodeE - 0anodeE

แทนค่า 0

cellE = (+0.770) - (+0.5388) 0

cellE = +0.2362 Vเน่ืองจากค่า 0

cellE > 0 แสดงวา่ปฏิกิรยิานี2เกิดตามที่เขยีน

ค. 0cellE = -0.269 V

เน่ืองจากค่า 0cellE < 0 แสดงวา่ปฏิกิรยิานี2ไมเ่กิดตามที่เขยีน

สมการของ Nernstดังที่ได้กล่าวแล้ววา่ศักยไ์ฟฟา้ของครึง่เซลล์ หรอืศักยไ์ฟฟา้ของ

เซลล์ ขึ2นอยูก่ับความเขม้ขน้ของสารละลาย ซึ่งสามารถคำานวณ และแสดงใหเ้หน็ได้ตามสมการของ Nernst ดังนี2

E = E0 - n0.0592log Q

เมื่อE0 = ศักยไ์ฟฟา้มาตรฐาน ที่ 25 0C 1 atmE = ศักยไ์ฟฟา้ที่สภาวะใด ๆ

n = จำานวนโมลอิเล็กตรอนที่ใหแ้ละรบัในปฏิกิรยิา Q = ค่าที่หาได้จากความเขม้ขน้ของสารต่าง ๆ ในระบบ

ขณะใดขณะหนึ่ง ซึ่งหาได้ดังนี2

จากสมการทัว่ไปดังนี2 aA + bB cC + dD Q = ba

dc

[B][A][D]C] [

จะได้วา่

E = E0 - n0.0592log ba

dc

[B][A][D]C] [

ตัวอยา่ง จงคำานวณหาค่า E ของขั2ว Fe2+ /Fe3+ เมื่อความเขม้ขน้ Fe3+ เป ็น 5 เท ่าของความเขม้ขน้ของ Fe2+ กำาหนด Fe3+ + e- Fe2+ , E0 = +0.771 Vวธิทีำา

จากสตูร E = E0 - n0.0592log ][Fe

]Fe [3

2

เน่ืองจาก [Fe3+] = 5[Fe2+]แทนค่า ;

E = +0.771 - 10.0592log ]5[Fe

]Fe [2

2

E = +0.771 - 10.0592log 5

1

E = +0.771 - 0.0592 (-0.699) = +0.811 V

ตัวอยา่ง จงคำานวณหาศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์ที่ 25 0C ที่มแีผนภาพของเซลล์ดังนี2

Cd / Cd2+ (2.00 mol/dm3) / / Pb2+ (0.001 mol/dm3 ) / Pb (s)

สมการของปฏิกิรยิาของเซลล์และค่าศักยไ์ฟฟา้มาตราฐานของเซลล์เป็นดังนี2

Cd (s) + Pb2+ (aq) Cd2+ (aq) + Pb (s)0cellE = 0.277 V

วธิทีำาจากสตูร E = E0 - n

0.0592log ][Pb]Cd [

3

2

เน่ืองจาก [Fe3+] = 5[Fe2+]แทนค่า ;

E = +0.277 - 10.0592log 0.001

2.00

E = +0.771 - 10.0592 x 3.301

E = +0.179 V

16.3.7 เ ซ ล ล ์อ ิเ ล ็ก โ ต ร ไ ล ต ์ (Electrolytic cell)

เซลล์อิเล็กโตรไลต์ คือ เซลล์ไฟฟา้เคมชีนิดหนึ่งที่ใชพ้ลังงานไฟฟา้ทำาใหเ้กิดปฏิกิรยิาเคม ี กล่าวคือ เมื่อผ่านกะแสไฟฟา้เขา้ไปในเซลล์ จะทำาใหเ้กิดปฏิกิรยิารดีอกซข์ึ2นในเซลล์นั2น เซลล์ประเภทนี2จะมีค่า 0

cellE < 0 (เครื่องหมายติดลบ) และภายในเซลล์อิเล็กโทรไลต์จะมสีารอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งสารนี2สามารถจะแตกตัวเป็นไอออนบวก และไอออนลบ และทำาใหเ้กิดนำาไฟฟา้ได้

สว่นประกอบของเซลล์อิเล็กโทรไลต์1. ขัว้ไฟฟา้ (Electrode) เป็นโลหะหรอืแกรไ์ฟต์ที่นำา

ไฟฟา้ได้ โดยทัว่ไปมกัจะใชข้ั 2วเฉื่อยในเซลล์หนึ่ง ๆ จ ำาแนกขั2วตามเกณฑ์ต่าง ๆ ดังนี2

การจำาขั2วตามสมการการเกิดปฏิกิรยิาเคมีก . ข ั2วแอโนด (Anode) เป ็นข ั2วท ี่เ ก ิดป ฏ ิก ิร ยิ า

ออกซเิดชนัข. ข ั2วแคโทด (Cathode) เป ็นข ั2วท ี่เก ิดปฏ ิก ิรยิา

รดัีกชนั

การจำาแนกขัว้ตามการต่อเขา้กับแหล่งกำาเนิดไฟฟา้ก. ขั2วบวก เป็นขั2วที่ต่อเขา้กับขั 2วบวกของแหล่งกำาเนิด

ไฟฟา้ [ ซึ่งขั 2วนี2จะเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั กล่าวคือไอออนลบในสารละลายจะให ้/ จา่ยอิเล็กตรอนแก่ขั 2วไฟฟา้บวก) ]

ข. ขั2วลบ เป็นขั2วที่ต่อเขา้กับขั 2วลบของแหล่งกำาเนิดไฟฟา้ [ ซึ่งขั 2วนี2จะเกิดปฏิกิรยิารดีักชนัเกิดขึ2น กล่าวคือ ไอออนบวกในสารละลายจะมารบัอิเล็กตรอนที่ขั 2วนี2 ]

2. สารอิเล็กโตรไลต์ คือ สารที่มสีถานะเป็นของเหลวประกอบด้วยไอออนที่เคล่ือนที่ และนำาไฟฟา้ได้ เชน่

ก. สารประกอบไอออนิกที่หลอมเหลว เชน่ NaCl (s) Na+ (l) + Cl- (l)

ข. สารละลายอิเล็กโตรไลต์ เชน่ สารละลายกรด เบส เกลือ

HNO3 (aq) H+ (aq) + NO3- (aq)

รูปที่ 16.25 เกลือที่หลอมเหลวประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบเคล่ือนที่นำาไฟฟา้ ขณะที่ผ่านกระแสไฟฟา้ชนิด DC (กระแสตรง)

ลงไป ไอออนบวกจะเคล่ือนที่เขา้หาขั 2วลบ (แคโทด) เพื่อรบัอิเล็กตรอน ถกูรดีิวซ ์ สว่นไอออนลบ จะเคล่ือนที่เขา้หาขั 2วบวก เพื่อให้

อิเล็กตรอน ถกูออกซไิดซ์

กระบวนการอิเล็กโทรลิซสิ (Electrolysis)อิเล็กโทรลิซสิ (Electrolysis) คือ กระบวนการแยกสารอิเล็ก

โตรไลต์โดยการผ่านไฟฟา้กระแสตรงลงไปในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ แล้วทำาใหเ้กิดปฏิกิรยิาเคมเีกิดขึ2นที่ขั 2วบวก และขั2วลบของเซลล์อิเล็กโทรไลต์นั 2น

ลักษณะสำาคัญของอิเล็กโทรลิซสิ1. ก ร ะ แ ส ไ ฟ ฟ า้ ท ี่ใ ช ผ้ ่า น ล ง ไ ป ใ น เ ซ ล ล ์ ต ้อ ง เ ป ็น

ไฟฟา้กระแสตรง (D.C.) คือ กระแสอิเล็กตรอน2. ปฏิกิรยิาเคมทีี่เกิดขึ2น เป็นปฏิกิรยิารดีอกซ์3. ขั2วไฟฟา้ที่ใชใ้นเซลล์นี2นิยมใชข้ั 2วเฉื่อย เพราะถ้าใชข้ั 2ว

วอ่งไว ขั 2วอาจจะมสีว่นรว่มในการเกิดปฏิกิรยิาเคมกี็ได้

ประโยชน์ของกระบวนการอิเล็กโทรลิซสิก. สำาหรบัการแยกสารประกออบไอออนิกหลอมเหลวด้วยไฟฟา้

สารประกอบไอออนิก เชน่ เกลือ NaCl เมื่อเกลือนี2ถกูทำาใหห้ลอมเหลว จะเกิดเป็นไอออนบวก และไอออนลบเกิดขึ2น ซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟา้ลงไปในสารประกอบไอออนิกที่หลอมเหลวนี 2 จะทำาให ้ ไอออนบวกเคล่ือนที่เขา้หาขั 2วลบ เพื่อเขา้ไปรบัอิเล็กตรอนหรอืเกิดปฏิกิรยิารดีักชนั สว่นไอออนลบ จะเคลื่อนที่เขา้หาขั 2วบวก เพื่อจา่ยอิเล็กตรอน หรอืเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั

ข. การแยกสารละลายอิเล็กโตรไลต์ด้วยไฟฟา้ในสารละลายอิเล็กโตรไลต์จะประกอบด้วยตัวถกูละลายชนิด

ต่าง ๆ ที่เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ และ นำ2า ซึ่งทำาหน้าที่เป็นตัวทำาละลาย เชน่ สารละลายของ NaCl (aq) จะม ี ไอออนบวกคือ Na+ (aq) และไอออนลบ คือ Cl- (aq) ซึ่งไอออนทั2งสองถกูนำ2าล้อมรอบอยู ่( aq = aqueous มนีำ2าล้อมรอบ) ดังนั2นในสารละลายนี2จงึมีองค์ประกอบ 3 ชนิด ได้แก่ นำ2า (ตัวทำาละลาย) , Na+ (aq) และ Cl- (aq) (ตัวถกูละลาย)

กระบวนการแยกสารละลายอิเล็กโตรไลต์ด้วยไฟฟา้(อิเล็กโทรลิซสิ) ที่เก ิดข ึ2นคือ น ำ2าและไอออนลบของตัวถกูละลายจะเคลื่อนท ี่เข า้หาข ั2วบวก (Anode) เพ ื่อไปใหอ้ ิเล ็กตรอน เก ิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั ซ ึ่งสารใดจะเป็นตัวใหอ้ิเล็กตรอนหรอืเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั ก็ใหพ้จิารณาจากค่า E 0 โดยถ้ามคี่า E0 ตำ่า สารนั2นจะเป็นตัวเกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั คือ เกิดการใหอ้ิเล็กตรอนที่ขั 2วบวกนั2นได้ดีกวา่ ที่เหลือก็ไมเ่กิดปฏิกิรยิาใด ๆ

สว่นนำ2าและไอออนบวกของตัวถกูละลาย จะเคลื่อนที่เขา้หาขั2วบวก (Cathode) เพื่อไปรบัอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั ในทำานองเดียวกัน สารใดจะสามารถรบัอิเล็กตรอนได้ก็ใหพ้จิารณาจากค ่า E0 โดยถ ้ามคี ่า E0 สงูกวา่สารน ั2นก ็จะสามารถรบัอิเล็กตรอนได้ดีกวา่ สารที่เหลือก็จะไมเ่กิดปฏิกิรยิา

ตัวอยา่งอิเล็กโทรลิซสิ1. การแยกเกลือ NaCl หลอมเหลวด้วยไฟฟา้

รูปที่ 16.26 อิเล็กโทรลิซสิโซเดียมคลอไรด์ที่หลอมเหลว

ปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นเป็นดังนี2ขั 2วไฟฟา้บวก (แอโนด) ; 2Cl- (l) Cl2(g) + 2e-

E0 = -1.36 V

ขั2วลบ (แคโทด) ; 2Na+ (l) + 2e- 2Na (s)E0 = -2.71 Vปฏิก ิรยิารดีอกซ ์ ; 2Na+ + 2Cl- (l) 2Na (s) +

Cl2 (g) 0cellE = -4.07 V

ดังนั2นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ2นคือที่ขั 2วแอโนด เกิด Cl2ที่ขั 2วแคโทด เกิด Na (s)

ในอุตสาหกรรมเตรยีมโซเดียม ก็ใชว้ธิกีารอิเล็กโทรลิซสิโซเดียมคลอไรด์หลอมเหลว โดยใชเ้ซลล์อิเล็กโตรไลต์ที่สรา้งขึ2นเฉพาะ เรยีกวา่ Downs cell ดังรูป 16.27

รูปที่ 16.27 Downs Cell ใชส้ำาหรบัอิเล็กโทรลิซสิ NaCl หลอมเหลวเพื่อผลิตโลหะโซเดียม และก๊าซคลอรนีในอุตสาหกรรม

2. การแยกสารละลายโซเดียมซลัเฟตด้วยไฟฟา้

รูปที่ 16.28 อิเล็กโทรลิซสิสารละลายโซเดียมซลัเฟตปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นอธบิายได้ดังนี2ท่ีขัว้แอโนด ( ขัว้บวก ) โมเลกลุของนำ2าและ S2O8

2- เคลื่อนที่เขา้ไปใหอ้ิเล็กตรอน สารใดจะสามารถใหไ้ด้พจิารณาจากค่า E0

ดังนี2S2O8

2- (aq) + 2e- 2SO42- (aq) E0 =

+2.01 V …………… (1)O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- 2H2O (l)E0 =

+1.23 V …………… (2)จากการพจิารณาค่า E0 พบวา่ E0 ของปฏิกิรยิาในสมการ

(2) ตำ่ากวา่ปฏิกิรยิาในสมการ (1) แสดงวา่ เกิดสารตามสมการที ่(2) ได้ง่ายกวา่เกิดสารในสมการที่ (1) ดังนั2นปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นที่ขั 2วบวก หรอืขั2วแอโนดคือ

2H2O (l) O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- E0

= -1.23 V …………… (3)

ท่ีขัว้แคโทด ( ขัว้ลบ ) โมเลกลุของนำ2าและ Na+ เคลื่อนที่เขา้ไปรบัอิเล็กตรอน

สารใดจะสามารถรบัอิเล็กตรอนได้พจิารณาจากค่า E0 ดังนี2

Na+ (aq) + e- Na (s) E0 = -2.71 V …………… (4)

2H2O (l) + 2e- H2 (g) + 2OH- (aq) E0 = -0.83 V …………… (5)

จากการพจิารณาค่า E0 พบวา่ E0 ของปฏิกิรยิาในสมการ (5) สงูกวา่ปฏิกิรยิาในสมการ (4) แสดงวา่ เกิดสารตามสมการที่ (5) ได้ง่ายกวา่เกิดสารในสมการที่ (4) ดังนั2นปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นที่ขั 2วบวก หรอืขั2วแอโนดคือ

2H2O (l) + 2e- H2 (g) + 2OH- (aq) E0 = -0.83 V …………… (6) (5) x 2 ; 4H2O (l) + 4e- 2H2 (g) + 4OH-

(aq) E0 = -0.83 V …………… (6)

นำาสมการที่ (3) + (6) จะได้4H2O (l) + 2H2O (l) 2H2 (g) + O2 (g) +

4OH- (aq) + 4H+ (aq)6H2O (l) 2H2 (g) + O2 (g) + 4H2O (l)

0Eรวม = (-0.83)+(-1.23) = -2.06 V2H2O (l) 2H2 (g) + O2 (g) 0Eรวม = -

2.06 Vเพราะฉะนั2นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ2นเป็นดังนี2

ที่ขั 2วแคโทด เกิด ก๊าซไฮโดรเจนที่ขั 2วแอโนด เกิดก๊าซออกซเิจน

3. การแยกสารละลายโซเดียมคลอไรด์ด้วยไฟฟา้

รูปที่ 16.29 อิเล็กโทรลิซสิสารละลายโซเดียมคลอไรด์

ท่ีขัว้แคโทด (ขัว้ลบ)โ ม เ ล ก ลุ ข อ ง น ำ2า แ ล ะ Na+(aq) เ ค ล ื่อ น ท ี่เ ข า้ ไ ป ร บั

อิเล็กตรอน สารใดจะสามารถรบัอิเล็กตรอนได้พจิารณาจากค่า E0

ดังนี2Na+ (aq) + e- Na (s) E0 =

-2.71 V …………… (1)2H2O (l) + 2e- H2 (g) + 2OH- (aq) E0 =

-0.83 V …………… (2)

จากการพจิารณาค่า E0 พบวา่ E0 ของปฏิกิรยิาในสมการ (2) สงูกวา่ปฏิกิรยิาในสมการ (1) แสดงวา่ เกิดสารตามสมการที่ (2) ได้ง่ายกวา่เกิดสารในสมการที่ (1) ดังนั2นปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นที่ขั 2วบวก หรอืขั2วแอโนดคือ

2H2O (l) + 2e- H2 (g) + 2OH- (aq) E0 = -0.83 V …………… (3)

ที่ข ัว้แอโนด ( ข ัว้บวก ) โมเลกลุของน ำ2าและ Cl- (aq) เคลื่อนที่เขา้ไปใหอิ้เล็กตรอน สารใดจะสามารถใหไ้ด้พจิารณาจากค่า E0 ดังนี2

Cl2 (g) + 2e- 2Cl- E0 = +1.36 V …………… (4)

O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- 2H2O (l)E0 = +1.23 V …………… (5)

จากการพจิารณาค่า E0 พบวา่ E0 ของปฏิกิรยิาในสมการทั2งสองใกล้เคียงกัน แสดงวา่ Cl- และ H2O ถกูออกซไิดสไ์ด้เกือบเท่ากัน ดังนั 2นความเขม้ขน้ของ Cl- จงึเป็นปัจจยัสำาคัญที่มผีลต่อการเกิดสารผลิตภัณฑ์ กล่าวคือ ถ้าความเขม้ขน้ของ Cl- มากจะพบวา่เกิดก๊าซ Cl2 และถ้าความเขม้ขน้ของ Cl- น้อยมากก็จะพบวา่เกิด O2 จากนำ2า ในปฏิกิรยิาที่ 5 แต่ถ้าความเขม้ขน้ของ Cl- ปานกลางจะพบวา่ Cl- ถกูออกซไิดสเ์กิด Cl2 เพราะ Cl- มคีวามวอ่งไวในการถกูออกซไิดสไ์ด้ดีกวา่ H2O ดังนั2นปฏิกิรยิาท่เกิดได้คือ

2Cl- (aq) 2Cl2 (g) + 2e- E0 = -1.36 V …………… (6)

รวมสมการที่ (3) + (6) จะได้2H2O (l) + 2Cl- (aq) 2H2(g) + 2OH- (aq) +

Cl2 (g) 0Eรวม = (-0.83)+(-

1.36) = -2.19 V

ตารางที่ 16.6 การเปรยีบเทียบเซลล์กัลวานิกและเซลล์อิเล็กโทรไลต์

เซลล์กัลวานิก เซลล์อิเล็กโทรไลต์1. เป็นเซลล์ไฟฟา้เคมทีี่

เปลียนพลังงานเคมใีห้เป็นพลังงานไฟฟา้

2. ขั2วแอโนด เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั

3. ขั2วแคโทด เกิดปฏิกิรยิารดีักชนั

4. ขั2วลบ เป็นขั2วที่อิเล็กตรอนไหลออก

5. ขั2วบวก เป็นขั2วที่อิเล็กตรอนไหลเขา้

6. ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์เป็นบวก

7. ปฏิกิรยิาเกิดขึ2นได้เอง

1. เป็นเซลล์ไฟฟา้เคมทีี่เปล่ียนพลังงานไฟฟา้ใหเ้ป็นพลังงานเคมี

2. ขั2วแอโนด เกิดปฏิกิรยิาออกซเิดชนั

3. ขั2วแคโทด เกิดปฏิกิรยิารดัีกชนั

4. ขั2วลบ เป็นขั2วที่ต้อเขา้กับขั 2วลบของแหล่งกำาเนิดไฟฟา้

5. ขั2วบวกเป็นขั2วที่ต่อกับขั 2วบวกของแหล่งกำาเนิดไฟฟา้

6. ศักยไ์ฟฟา้ของเซลล์เป็นลบ7. ปฏิกิรยิาเคมเีกิดขึ2นได้ต้องใช้

กระแสไฟฟา้ (ไฟฟา้กระแสตรง)

16.3.8 กฏฟาราเดยข์องการอิเล็กโทรลิซสิ

ในปี ค.ศ. 1832 - 1833 ไมเคิล ฟาราเดย ์ ได้ศีกษาการอิเล็กโทรลิซสิสรุปได้ดังนี2

“ปรมิาณสารที่ใชไ้ปหรอืเกิดขึ2นที่ขั 2วไฟฟา้หนึ่ง ๆ ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์จะแปรผันตรงกับปรมิาณไฟฟา้ที่ผ่านลงไปในเซลล์นั2น”

จากการทดลองสรุปได้วา่ 1 อิเล็กตรอนรดีิวซ ์ซวิเวอร ์ 1 ซวิเวอรไ์อออน และ 2 อิเล็กตรอนรดีิวซ ์ 1 คอปเปอร ์(II) ไอออน ดังนี2

Ag+ + e AgCu2+ + 2e- Cu

ด ัง น ั2น ถ ้า อ ิเ ล ็ก ต ร อ น 1 โ ม ล ห ร อื 6.02 x 1023

อิเล็กตรอนรดีิวซ ์ Ag+ ได้จ ำานวน 6.02 x 1023 ไอออน หรอืหนักเท่ากับ 107.868 กรมั หรอืคิดเป็น 1 โมล

และถ้าอิเล็กตรอน 1 โมล หรอื 6.02 x 1023 อิเล็กตรอนรดีิวซ ์ Cu2+ ได้จำานวน 1/2 x 6.02 x 1023 ไอออน หรอืหนักเท่ากับ 1/2x 63.5 กรมั หรอืคิดเป็น 1/2 โมล

รูปที่ 16.30 ปรมิาณของธาตตุ่าง ๆ ที่ถกูแยกออกมาจากสารละลายที่ขั 2วแคโทด

โดยใชไ้ฟฟา้ 1 ฟาราเดย ์( 19,485 คลูอมบ ์( C ) หรอื 1 โมลอิเล็กตรอน)

1 ฟาราเดย ์ = 6.02 x 1023 อิเล็กตรอน = 1 โมลอิเล็กตรอน

= 19,485 คลูอมบ ์( C )

1 คลูอมบ ์ = ปรมิาณไฟฟา้ 1 แอมแปร ์(A) ไหลผ่านในเวลา 1 วนิาที (s)

1 แอมแปร ์(A) = 1 คลูอมบ ์ ต่อ 1 วนิาที

สตูรท่ีใชค้ำานวณปรมิาณไฟฟา้ (Q) = กระไฟฟา้ (I) x

เวลา (t)

ตัวอยา่ง จงค ำานวณมวลของทองแดง (Cu) ที่เก ิดข ึ2นจากปฏิกิรยิารดีักชนัของ Cu2+ ที่ขั 2วแคโทด ด้วยการผ่านกระแสไฟฟา้ 1.6 แอมแปร ์ ในการอิเล็กโทรลิซสิสารละลาย CuSO4 เป็นเวลา 1 ชัว่โมง มวลอะตอมของ Cu เท่ากับ 63.5วธิทีำา

1.หาปรมิาณไฟฟา้ สตูร Q = Itแทนค่า Q = 1.6 x (1x 60 x 60)

เพราะฉะนั2น Q = 5760 คลูอมบ์2.หาปรมิาณฟาราเดย์

ปรมิาณไฟฟา้ 96485 คลูอมบ ์ = 1 ฟาราเดย์

ปรมิาณไฟฟา้ 5760 คลูอมบ ์ = 964855760 x1

= 0.0597 ฟาราเดย์แต่ไฟฟา้ 1 ฟาราเดย ์ มจี ำานวน =

1 โมลอิเล็กตรอนไฟฟา้ 0.0597 ฟาราเดย ์ มจี ำานวน =

10.0597 x1 โมลอิเล็กตรอน

= 0.0597 โมลอิเล็กตรอน

3.หาจำานวนโมลของ Cu ที่ขั 2วแคโทดที่ขั 2วแคโทด Cu2+ + 2e- Cuจากสมการอิเล็กตรอน 2 โมลอิเล็กตรอน เกิด Cu =

1 โมลอิเล็กตรอน 0.0597 โมลอิเล็กตรอนเกิด Cu

= 20.0597 x1 = 0.02985 โมล

4.หามวลของ CuCu 1 โมล หนัก = 63.5 gCu 0.0285 โ ม ล ห น ัก =

10.02985 x63.5 = 1.8954 g

แบบทดสอบท่ี 16.7ใชค้่า E0 จากตารางที่ 16.51.จงบอกสารผลิตภัณฑ์หลักท ี่เก ิดจากการอิเล ็กโทรลิซสิของสารละลายต่อไปนี2

ก. โซเดียมไอโอไดด์ NaIข. กรดไฮโดรคลอรกิ HClค. ซงิค์ซลัเฟต ZnSO4

ง. เลด (II) ไนเตรต Pb (NO3)2

2. สารผลิตภัณฑ์ใดที่มโีอกาสเกิดขึ2นมากที่สดุจากการอิเล็กโทรลิซิสสารละลายผสมระหวา่ง CuSO4 , ZnSO4 โดยใชข้ั 2วไฟฟา้เฉ่ือย

3. ขอ้ความใดเกิดขึ2นจากการอิเล็กโทรลิซสิสารละลาย MgCl2ก. เกิดโลหะ Mg ขึ2นที่ขั 2วแอโนดข. Mg2+ ถกูออกซไิดซท์ี่แคโทดค. ก๊าซ Cl2 เกิดขึ2นที่แอโนดโดยการออกซเิดชนัของ Cl-

ง. Cl- เคล่ือนที่เขา้หาแคโทด

เฉลยแบบทดสอบท่ี 16.71.เฉลยขอ้ สารละลาย ขั2วแอโนด(ขั2วบวก) ขั2วแคโทด (ขั2วลบ)กขคง

NaIHCl

ZnSO4Pb(NO3)2

I2Cl2O2O2

H2H2ZnPb

2.เฉลยที่ขั 2วแคโทด (ขั2วลบ) ปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นได้คือ

Cu2+ (aq) + 2e- Cu(s) เพราะมคี่า E0

สงูที่สดุที่ขั 2วแอโนด (ขั2วบวก) ปฏิกิรยิาที่เกิดขึ2นได้คือ

2H2O (l) O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e-

3.เฉลยที่แคโทดเกิดปฏิกิรยิา ; 2H2O (l) + 2e- H2 (g)ที่แอโนดเกิดปฏิกิรยิา ; 2Cl- (aq) Cl2 (g) + 2e-

ก. ผิด ที่แอโนดเกิดก๊าซ Cl2ข. ผิดที่แคโทด H2O ถกูรดิีวซ ์เกิด H2

ค. ถกู แอโนด Cl- เกิดออกซเิดชนัได้ Cl2ง. ผิด Cl- เคล่ือนที่เขา้หาแอโนด (ขั2วบวก)

********************************