1

ไฟฟาเคมี (Electrochemistry)

ไฟฟาเคมี เปนการศึกษาเกีย่วกับปฏิกิริยาเคมีที่ทําใหเกดิกระแสไฟฟา กระแสไฟฟาทําใหเกิดปฏิกิริยาเคมีหากใชการถายเทอิเล็กตรอนเปนเกณฑแลว ปฏิกิริยาเคมีแบงเปน 2 ประเภท

1. ปฏิกิริยาที่มีการถายเทอิเล็กตรอน เรียกวาปฏิกิริยารีดอกซ (Redox Reaction) 2. ปฏิกิริยาที่ไมมีการถายเทอิเล็กตรอน เรียกวาปฏิกิริยานอนรีดอกซ (Non redox Reaction)

ปฏิกิริยารดีอกซ (Redox Reaction )

ปฏิกิริยารีดอกซ หมายถึง ปฏิกิริยาที่เกีย่วกับการถายเทอิเล็กตรอน

ตัวอยาง เมื่อนําแผนโลหะทองแดง (Cu) จุมลงในสารละลายของ AgNO3 พบวาที่แผนโลหะ Cu มีของแข็งสีขาวปนเทามาเกาะอยู และเมื่อนํามาเคาะจะพบวาโลหะ Cu เกิดการสึกกรอน สวนสีของสารละลาย AgNO3 ก็จะเปลี่ยนจากใสไมมีสีเปนสีฟา

การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นนี้อธิบายไดวาการที่โลหะทองแดงเกดิ การสึกกรอนเปนเพราะโลหะทองแดง(Cu) เกิดการเสียอิเล็กตรอนกลายเปน Cu2+ ซ่ึงมีสีฟาและเมื่อ Ag+ รับอิเล็กตรอนเขามาจะกลายเปน Ag (โลหะเงิน) มาเกาะอยูทีแ่ผนโลหะทองแดง

ปฏิกิริยาที่เกิดขึน้ เขยีนในรูปสมการไดดังนี ้ Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (oxidation reaction)

Ag+(aq) + e- Ag(s) (reduction reaction) electron ที่ถายเทตองเทากนั สมการเคมีที่เกิดขึ้นทีแ่ทจริงตองเปน

Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (oxidation reaction) 2Ag+(aq) +2 e- 2Ag(s) (reduction reaction) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในแตละสมการเรียกวา คร่ึงปฏิกิริยา ซ่ึงการเกิดปฏกิิริยาถายเท อิเล็กตรอน

จะเกดิขึ้นไดสมบูรณก็ตอเมือ่ตองนําครึ่งปฏิกิริยาทั้งสองมารวมกัน เขยีนเปนสมการไดดังนี ้ Cu(s) + Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s) (redox reduction)

2

สรุปไดวาการเกิดปฏิกิริยารีดอกซจะตองประกอบไปดวย 1. สารที่ให อิเล็กตรอนเรียกวาตัวรีดิวซ (reduce agent) เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน

(Oxidation Reaction) 2. สารที่รับ อิเล็กตรอนเรียกวาตัวออกซิไดซ (oxidizing agent) เกิดปฏิกิริยารีดักชนั

(Reduction Reaction)

เซลลไฟฟาเคมี เนื่องจากการที่สารที่ให อิเล็กตรอนและสารที่รับ อิเล็กตรอนสัมผัสกันโดยตรง จะไมสามารถแสดงกระแสไฟฟาที่เกดิขึ้นได ดังนั้นหากตองการใหมีกระแสไฟฟาเกิดขึ้นตองมีการนําลวดตวันําไฟฟาตอเชื่อมเขาไประหวางขั้วไฟฟาของครึ่งเซลลที่ให อิเล็กตรอนและครึ่งเซลลที่รับ อิเล็กตรอนและพรอมกับโวลตมิเตอร และสะพานเกลือเชื่อมระหวางครึ่งเซลลทั้งสอง

e- e-

Cu สะพานเกลือ Ag

Ag+

Cu2+

เซลลไฟฟาเคม ี

ข้ัวไฟฟข้ัวไฟฟ

Cu Cu2+ + 2 e- Ag+ + e- Ag

คร่ึงเซลล Oxidation Reduction (half reaction) ขั้วไฟฟา ลบ (Anode) บวก (Cathode) (Electrode) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น Cu(s) + 2Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s) (Redox Reaction)

3

แผนภาพเซลลไฟฟาเคมี

หากปฏิกิริยารีดอกซที่เกิดขึ้นเปน A(s) + B+(aq) A+(aq) + B(s) แผนภาพเซลลไฟฟาเคมี A(s) | A+(aq) | | B+(aq) | B(s)

คร่ึงเซลลออกซิเดชัน คร่ึงเซลลรีดักชัน หมายเหตุ 1. | | แทนสะพานเกลือ และแตละครึ่งเซลลใหใชเครื่องหมาย | คั่นระหวางสารตาง สถานะ

2. หากตองการระบุความเขมขนใหเขียนไวในวงเล็บแลววางหลังสารละลาย เชน Cu(s) | Cu2+(aq)(0.1M) | | Ag+(aq)(0.1M) | Ag(s)

3. หากสารในสถานะเดียวกันมีมากกวา 1 ชนิด ใหใชเครื่องจุลภาค ( , ) คั่น เชน Fe(s) | Fe2+(aq) , Fe3+(aq) | | Cu2+(aq) | Cu(s)

4. หากมีความดันเกีย่วของ ใหระบุความดนัในวงเล็บ แลววางหลังกาซนั้น

เชน Pt(s) | H2(atm) | H+(aq) | | Ag+(aq) | Ag(s)

4

ศักยไฟฟามาตรฐาน (E°)

คร่ึงเซลลมาตรฐานที่ใชเปรยีบเทียบความสามารถในการใหรับ อิเล็กตรอน ของครึ่งเซลลตางๆ จะใชคร่ึงเซลลไฮโดรเจนเขียนแทนดวย Pt(s) | H2(1atm) | H+(1M) และกําหนดใหคาศกัยไฟฟาของไฮโดรเจนที่สภาวะมาตรฐาน(25°C,1atm) มีคาเทากับศูนยโวลต

Eo H2 = 0.00 Volt การวัดคาศักยไฟฟามาตรฐาน Eo ของเซลลไฟฟาใดๆ ทําไดโดยการนําครึ่งเซลลมาตรฐาน

ไฮโดรเจนตอกับครึ่งเซลลที่สนใจ และขัว้ไฟฟาจะตองจุมอยูในสารละลายเขมขน 1 Molarโดย E°Cell = E°Cathode - E° Anode

5

ขอควรทราบเกี่ยวกับคา E°

1. ถามีการกลับสมการ คา E° จะเทาเดิม แตเครื่องหมายตรงกันขาม 2. ถามีการคูณสมการดวยตัวเลขใดๆ คา E° จะเทาเดิม ไมเปลี่ยนแปลง 3. คา E°reduction ยิ่งมาก แสดงวาสารนัน้ยิ่งรับ อิเล็กตรอน ไดดี (แนวโนมความเปนตัว

ออกซิไดซมากขึ้น) คา E°reduction ยิ่งต่ํา แสดงวาสารนัน้ยิ่งให อิเล็กตรอน ไดดี (แนวโนมความเปนตัว

รีดิวซ มากขึน้) โดยทั่วไปเมื่อกลาวถึง E° หากไมมีการระบุวาเปน E°reduction หรือ E°oxidation ใหถือวาเปน E°reduction ประโยชนของคา E°reduction

1. ใชเปรียบเทียบความสามารถในการเปนตัวรีดวิซและตัวออกซิไดซ Ä สารที่ให อิเล็กตรอน ไดดี E° ต่ํา , สารที่รับ อิเล็กตรอน ไดดี E° สูง

เชน Zn2+(aq) + 2 e- Zn(s) E° = - 0.76 Volt

Ag+(aq) + e- Ag(s) E° = 0.80 Volt พิจารณา Eo Zn2+ < Eo Ag+ ตัวรีดิวซ : Zn > Ag

ตัวออกซิไดซ : Ag+ > Zn2+

6

2. ใชคํานวณคาศักยไฟฟาของเซลลและครึ่งเซลล

E°Cell = E°Cathode - E° Anode = E°ขั้วบวก - E°ขั้วลบ

= E°สูง - E°ต่ํา ประโยชนของคา E°Cell

E°Cell > 0 ปฏิกิริยาเกิดได E°Cell < 0 ปฏิกิริยาเกิดไมได (เกิดในทิศตรงขาม)

E°Cell = 0 ปฏิกิริยาเกิดไมไดแนนอน ตัวอยางการคํานวณศักยไฟฟาของครึ่งเซลล

EX. เมื่อนําครึ่งเซลลของ Ag | Ag+ ตอกับครึ่งเซลลของ Pt | H2 | H+ พบวาเข็มของโวลต

มิเตอรเบนหาขั้ว Ag และอานคาได 0.80 Volt ใหหาคา E° ของ Ag+ + e- Ag วิธีทํา จากการที่เข็มโวลตเบนเขาหาขัว้ Ag

แสดงวา Ag | Ag+ รับ e- Pt | H2 | H

+ ให e- จาก E°Cell = E°Cathode - E° Anode

0.80 = Eo Ag - Eo H2

0.80 = Eo Ag – 0 ดังนั้น Eo Ag = 0.80 Volt นั่นหมายความวา Ag+ + e- Ag E° = 0.80 Volt ตัวอยางการคาํนวณศักยไฟฟาของเซลล

EX. เมื่อนําครึ่งเซลลของ Fe | Fe2+ ตอเขากับ Ni | Ni2+ ใหหาคา E°Cell

กําหนด Fe2+ + 2 e- Fe E° = - 0.41 Volt Ni2+ + 2 e- Ni E° = - 0.23 Volt วิธีทํา E°Cell = E°สูง - E° ต่ํา E°Cell = E°Cathode - E° Anode

= - 0.23 - ( - 0.41) = 0.18 Volt

7

อิเล็กโตรลิซิส (Electrolysis)

ปฏิกิริยาใดที่เกิดขึ้นไมได เชน Cu(s) + Zn+(aq) Cu2+(aq) + Zn(s) หากตองการทาํใหเกดิปฏิกิริยาก็สามารถทําไดโดยผานพลังงานไฟฟาจากภายนอก ซ่ึง

ปฏิกิริยาที่ไดจากการแยกสลายดวยดวยไฟฟานี้มีช่ือเรียกวา อิเล็กโตรลิซิส (Electrolysis) สวนประกอบที่สําคัญของ Electrolytic Cell 1. แหลงพลังงานไฟฟาจากภายนอก 2. ขั้วไฟฟา 3. สารละลายอิเล็กโตรไลท ลักษณะการเกิดปฏิกิริยาเปนดังนี ้

สารที่ให อิเล็กตรอน แกขัว้บวก เกิดปฏิกริิยา Oxidation ขั้วอาโนด - สารที่รับ อิเล็กตรอน จากขั้วลบ เกิดปฏิกิริยา Reduction ขั้วคาโทด +

การดุลสมการรีดอกซ ตองผานขั้นตอนการหาเลขออกซิเดชัน

1.โดยเลขออกซิเดชันจะหมายถึงตัวเลขแสดงคาประจุไฟฟาที่แทจริงหรือประจุไฟฟาสมมติของธาตุ เกณฑการกําหนดคาเลขออกซิเดชัน (O.N.)

1. ธาตุอิสระ (ไมรวมตัวกับธาตุอ่ืน มีคา O.N. = ศูนย) เชน Mg , O2 , O3 , S8 , P4

2. ธาตุหมู 1 ในสารประกอบ มีคา O.N. = 1 เชน LiNo3 , NaCl , KclO3

8

3. ธาตุหมู 2 ในสารประกอบ มคีา O.N. = 2 เชน MgCl2 , CaCO3 , BeCl2

4. ธาตุไฮโดรเจน ในสารประกอบ มีคา O.N. = 1 เชน HCl , NH3 , H2O ยกเวน ในสารประกอบของโลหะ เชน NaH , AlH3 H มี O.N. = -1 5. ธาตุออกซิเจน ในสารประกอบ มีคา O.N. = - 2 เชน H2O , CO2 , C2O ยกเวน H2O2 , Na2 O , NaO2 , OF O มี O.N. = -2 6. ผลรวมของ O.N. ในสารประกอบมีคาเปนศูนย

เชน KmnO4 , MnO2 , Na2C2O4 7. ผลรวมของ O.N. ในไอออนเทากับจํานวนประจ ุ เชน MnO4- , Cr2O7

2-, Fe(CN)63-

Note ไอออนที่ควรจํา SO42- , CN- , CO3

2- , NO3- ไอออนที่มี O.N. เทากับจํานวนประจ ุ

ตัวอยางการหาเลขออกซิเดชันของธาต ุ

Mn2O7 2Mn + 7O = 0 Na3PO4 3Na + P + 4O = 0 2Mn + 7(-2) = 0 3(1) + P + 4(-2) = 0 2Mn = 14 3 + P – 8 = 0

Mn = +7 # P = +5 #

MnSO4 Mn + SO4 = 0 C2O42- 2C + 4O = -2

Mn + (-2) = 0 2C + 4(-2) = -2 Mn = +2 # 2C = 6

C = +3 # ข้ันตอนการดุลสมการรีดอกซ

1. หาธาตุที่มี O.N. เปลี่ยนไป ตอ 1 อะตอมของธาตุ 2. นําเลข O.N. ที่เปลี่ยนไปมาคูณไขว (เพื่อใหจํานวน อิเล็กตรอน ที่ถายเทเทากัน) 3. ดุลอะตอมของธาตุ (H กับ O ทําทีหลัง) 4. ถาทอนไดใหทอนเปนอัตราสวนอยางต่ําดวย

9

ตัวอยางการดลุสมการรีดอกซ EX. FeCl3 + SnCl2 FeCl2 + SnCl4

1. หาเลข O.N. ที่เปลี่ยนไป ตอ 1 อะตอมของธาตุ FeCl3 + SnCl2 FeCl2 + SnCl4

+3 +2 +2 +4 รับ 1 e-

เสีย 2 e-

2. คูณไขวจํานวน e- ใหถายเทเทากนั 2FeCl3 + SnCl2 FeCl2 + SnCl4

3. ดุลสมการ 2FeCl3 + SnCl2 2FeCl2 + SnCl4

EX. KMnO4+ KNO2 + H2SO4 MnSO4 + H2O + KNO3 + K2SO4

1. หาเลข O.N. ที่เปลี่ยนไป ตอ 1 อะตอมของธาตุ KMnO4 + KNO2 + H2SO4 MnSO4 + H2O + KNO3 + K2SO4

+7 +3 +2 +5 รับ 5 e-

เสีย 2 e- 2. คูณไขวจํานวน e- ใหถายเทเทากนั 2KMnO4 + 5KNO2 + H2SO4 MnSO4 + H2O + KNO3 + K2SO4

3. ดุลสมการ 2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 2MnSO4 + 3H2O + 5KNO3 + K2SO4

การดุลสมการรีดอกซแบบครึ่งปฏิกิริยา

ทําตามขั้นตอนดังนี ้1. ในสารละลายกรด EX. Fe2+ + Cr2O7

2- Fe3+ + Cr3+

วิธีทํา 1. แยกครึ่งปฏิกิริยา Fe2+ Fe3+ Cr2O7

2- Cr3+

10

2. ดุลอะตอม Fe2+ Fe3+ Cr2O7

2- 2Cr3+

เติม H2O ดานขาดออกซิเจนเทากับจํานวนที่ขาดออกซิเจน Cr2O7

2- 2Cr3+ + 7H2O เติม H+ ดานขาดไฮโดรเจนเทากับจํานวนที่ขาดไฮโดรเจน Cr2O7

2-- + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O 3. ดุลประจุ (โดยการเติม e- ) จาก Fe2+ Fe3+ + e- จํานวนประจเุทากันคือ 2 Cr2O7

2- + 14H+ + 6 e- 2Cr3+ + 7H2O จํานวนประจเุทากันคือ 6 4. ทําการถายเท e- ใหเทากัน (โดยการคูณไขวจํานวน อิเล็กตรอน) 6Fe2+ 6Fe3+ + 6 e- Cr2O7

2- + 14H+ + 6 e- 2Cr3+ + 7H2O 5. รวมสมการ

6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O

2. ในสารละลายเบส EX. I- + MnO4

- ® I2 + MnO2

วิธีทํา แยกครึ่งปฏิกิริยา I- I2 ดุลอะตอม MnO4

- MnO2

2I- I2 ดุลประจุ Q อะตอมของ Mn ดุลแลว 2I- I2 + 2 e- ∴ ดุล O โดยเติม H2O ดานขาด Oเทากับ จํานวนที่ขาด O2

MnO44- MnO2 + 2H2O

เติม H+ ดานขาด H เทากับจาํนวนที่ขาด H MnO4

4- MnO2 + 2H2O Q สารละลายเบสหามมีกรด ดงันั้นตองเติม OH- ทั้ง 2 ดาน MnO4

- + 4H+ + 4OH- MnO2 + 2H2O + 4OH-

QH+ + OH- H2O ดงันั้นจะไดสมการเปน MnO4

- + 4H2O MnO2 + 2H2O + 4OH- หักลาง H2O

11

MnO4- + 2H2O MnO2 + 4OH- ดุลประจ ุ

MnO4- + 2H2O + 3 e- MnO2 + 4OH-

ทํา e- ที่ถายเทใหเทากัน (โดยดุลจํานวน e- ) Oxidation 2I- I2 + 2 e- (1) Reduction MnO4

- + 2H2O + 3 e- MnO2 + 4OH- (2) (1) x 3 จะได 6I- 3I2 + 6 e- (2) x 2 จะได 2MnO4

- + 4H2O + 6 e- 2MnO2 + 8OH-

รวมสมการ 6I- + 2MnO4- + 4H2O 3I2 + 2MnO2 + 8OH-

ประโยชนของเซลลกัลวานิก

เซลลกัลวานิก อาจแบงออกไดเปน 2 ลักษณะ คือ 1. เซลลปฐมภูมิ (Primary Cell) เปนเซลลที่เมื่อใชแลวไมอาจทําใหกลับไปสูสภาพเดิมไดอีกโดยใชศักยไฟฟาภาพนอก เซลลชนิดนี ้ ไดแก ดาเนียลเซลล เซลลแหง และอ่ืนๆ 1.1 เซลลแหงหรือถานไฟฉาย เซลลแหงหรือบางทีเรียกวาเซลลเลอคลัง เซลล (leclanche cell) เปนเซลลที่ใชในไฟฉาย ซ่ึงมีลักษณะตามรปูที่ 1. กลองของเซลลทําดวยโลหะสังกะสีซ่ึงทําหนาที่เปนขั้วลบ สวนแทงคารบอนหรือแกไฟตทําหนาที่เปนขั้วบวก ภายในกลองระหวางสองอิเล็กโตรดบรรจุดวยของผสมของแอมโมเนยีมคลอไรด, แมงกานีส (IV) ออกไซด, ซิงค (II) คลอไรด, ผงคารบอนกับของแข็งอ่ืนที่ไมมีสวนในการทําปฏิกิริยาและทําใหชุมดวยน้ํา ระหวางของผสมเหลานี้กับกลองสังกะสีกั้นดวยกระดาษพรุน ตอนบนของเซลลผนึกดวยวัสดุที่สามารถรักษาความชื้นภายในเซลลใหคงที่ เมื่อเซลลทําหนาที่จายไฟฟา Zn จะใหอิเล็กตรอนเปน Zn2+ เปนเหตุใหกลองสังกะสีเปนขั้วลบ ปฏิกิริยาที่เกิดขึน้จึงเปนoxidation reaction Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- ที่ขั้วบวก แมงกานีส(IV) ออกไซด จะถูกรีดวิซ ซ่ึงมีปฏิกิริยาครึ่งเซลลเปนดังนี ้ 2MnO2(s) + 8NH4

+(aq) + 2e 2Mn3+(aq) + 4H2O + 8NH3(aq) เพราะฉะนัน้ปฏิกิริยาสุทธิที่ไดจากปฏกิิริยาครึ่งเซลลทั้งสอง จึงเปน Zn(s) +2MnO2(s) + 8NH+

4(aq) Zn2+(aq) + 2Mn3+(aq) + 8NH3(aq) +4H2O

12

ถามีการจายกระแสไฟฟามากก็จะทําใหเกดิ NH3 ขึ้น ซ่ึงจะเขาทําปฏิกิริยากับ Zn2+ เกิดเปนไอออนเชงิซอน เปนตนวา [Zn(NH3)4]

2+ และ [ Zn(NH3)4 ]2+ และ [ Zn(NH3)2(H2O)2]

2+ เซลลแหงดังกลาวจะใหศักยไฟฟาประมาณ 1.5 โวลต การเกิดไอออนเชิงซอนชวยรักษาความเขมขนของ Zn2+ ไมใหสูงขึ้น จึงทําใหศักยไฟฟาของเซลลเกือบคงที่เปนเวลานานพอสมควร

สวนประกอบของเซลลแหง

1.2 เซลลสําหรับวัตถุประสงคพิเศษ

สําหรับเซลลวัตถุประสงคพิเศษ ที่จะกลาวถึง ไดแก เซลลรูบิน-มาลลอรี่(Rubin-Mallory cell) หรือบางทีเรียกเซลลเมอรคิวรี(Mercury cell) ซ่ึงมีขนาดเล็กและใชกนัมากในเครื่องฟงเสียงสําหรับคนหูพิการ หรือประโยชนอ่ืนๆ เซลลนี้ใชกลองสังกะสีเปนขั้วลบ แทงคารบอน(แกรไฟต เปนขั้วบวก คลายกับของเซลลแหง แตใชอิเล็กโตรไลตเปนของผสมที่ชุมและเหนียวของเมอรคิวรี (II) ออกไซด โซเดียมหรือโพแทสเซียมไฮ ดรอกไซด เซลลนี้จะใหศกัยไฟฟาประมาณ 1.3 โวลต และมีปฏิกิริยาเคมีดังนี ้

ขั้วลบ : Zn(s) + 2OH-(aq) Zn(OH)2(s) + 2e- ขั้วบวก : HgO(s) + 2H2O + 2e- Hg(l) + 2OH-(aq) ปฏิกิริยาสุทธิ : Zn(s) + HgO(s) + 2H2O Zn(OH)2(s) + Hg(l)

1.3 ดาเนียลเซลล (Daniel Cell) จากภาพ อิเล็กโตรดทองแดงประกอบดวยโลหะทองแดงบรรจุอยูในสารละลายอิ่มตัวของคอปเปอร(||) ซัลเฟต (A) สวนลางของเซลลมีผลึกของคอปเปอรซัลเฟตเพื่อใหสารละลายอิ่มตัว สารอิเล็กโตรดสังกะสีประกอบดวย โลหะสังกะส(ี B ) ลอยอยูในสารละลายสังกะสีซัลเฟตที่เจือจางไกลๆสวนบนของเซลล เหนือสารละลายคอปเปอรซัลเฟตซึ่งมีความหนาแนนมากกวา เมื่อโลหะสังกะสีและทองแดงเชื่อมตอกันดวยลวด อิเล็กตรอนจะไหลผานเสนลวดจากสังกะสีซ่ึงถูกออกซิไดซงายกวาไปยัง

13

ทองแดงซึ่งออกซิไดซยากกวา สังกะสีจะถกูออกซไดซกลายเปน Zn2+ ในสารละลาย ในขณะเดยีวกนั Cu2+ จะถูกรีดวิซเปนทองแดง ดังสมการ Anode : Zn Zn2+ + 2e-

Cathode : Cu2+ + 2e- Cu ปฏิกิริยาสุทธิ Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

ถาความเขมขนของ Zn2+ เพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก ( anode ) จะเลื่อนไปทางซาย เปนผลใหศักยไฟฟาของเซลลลดลง เซลลที่ใชหลักการเดียวกับดาเนียลเซลล แตใชแคดเมยีมและนิเกิลแทนสังกะสีและทองแดงใชกันมากในแบตเตอรี่ เพราะมีอายกุารใชงานที่นานกวา 2. เซลลทุติยภูมิSecondary Galvanic Cell

เปนเซลลที่สารซึ่งเปนสวนประกอบของเซลลสามารถทํากลับใหอยูในสภาพเดิมไดอีกโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานในทิศทางตรงกันขามกับการจายไฟ (Discharge) วิธีการนี้เปนการใหประจใุหมแกเซลล เซลลชนิดนี้ไดแก แบตเตอรี่ตะกัว่ และแบตเตอรี่แบบเอดิสันเปนตน 2.1 แบตเตอรีส่ะสมไฟฟาแบบตะกั่ว (lead storage battery) แบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบตะกัว่จะ ประกอบดวยอิเล็กโตรสองอันซึ่งเปนแผนตะกัว่ และแผนเลด(IV) ออกไซด มีกรดซัลฟุริกเจือจางเปนอิเล็กโตรไลต เมื่อมีการจายไฟฟา แผนตะกัว่จะถูกออกซิไดสเปนเลด (II) ไอออน และทําหนาทีเ่ปนขั้วลบ ดังรูป 2

Pb(s) Pb2+(aq) + 2e- เลด(II) ไอออนจะรวมตัวกบัชัลเฟตไอออนเปนเลด(II) ซัลเฟต Pb2+(aq) + SO4

2- (aq) PbSO4(s) รูปที่2 สวนประกอบของแบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบตะกั่ว เมื่อรวมสมการทั้งสองเขาดวยกัน ก็จะเปนปฏิกิริยาครึ่งเซลลที่มีการเกิดออกซิเดชนั

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

อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วลบตามเสนลวดไปยังอิเล็กโตรดอีกอันหนึ่งที่เปนเลด(IV) ออกไซด ซ่ึงมีไฮโดรเจนไอออนจากอิเล็กโตรไลตและจะถูกรีดิวซืดังสมการ

PbO2(s) + 4H+(aq) + 2e- Pb2+(aq) + 2H2O และ Pb2+ จะรวมตัวกับ SO2-

4 ที่มีในสารละลาย Pb2+(aq) + SO2-

4(aq) PbSO4 (s) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่เลด (IV) ออกไซดจึงเปนปฏิกิริยาครึ่งเซลลที่มีการเกิดรีดักชนั PbO2(s) + 4H+(aq) + SO2-

4(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O

14

การจายไฟฟาที่เกิดขึ้นจากทัง้สองอิเล็กโตรดอาจสรุปไดดังนี ้ ขั้วลบ : Pb(s) + SO2-

4(aq) PbSO4(s) + 2e-

ขั้วบวก : PbO2(s) + 4H+(aq) + SO2-4(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O

ปฏิกิริยาสุทธิ : Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2SO2-4(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O

ปฏิกิริยาของเชลลขางบนเปนแบบผันกลับได เพราะฉะนัน้ถาตองการใหผันกลับก็จําเปน

จะตองมีการอดัไฟฟา โดยการตอข้ัวบวกของเซลลกับขั้วบวกของเครื่องอัดไฟฟาและขั้วลบกับขั้วลบของเครื่องอัดไฟฟา ปฏิกิริยาสุทธิขางบนก็จะเปลีย่นทิศทางเปนจากขวาไปซาย ในลักษณะนีเ้ลด(II) ซัลเฟตที่ขั้วลบก็จะเปลีย่นเปนตะกัว่ สวนอีกขั้วหนึ่ง เลด(II) ซัลเฟตจะเปลี่ยนเปนเลด (IV) ออกไซด ตามปฏิกิริยาของแบตเตอรี่สะสมแบบตะกัว่จะเหน็วาในขณะที่มีการจายไฟฟา ความเขมขนของกรดจะลดลงเรื่อยๆ ตามปกติตอนที่มีศักย ไฟฟาเต็มที่จะมีความถวงจําเพาะ ประมาณ 1.25 ถึง 1.30 แลวแตอุณหภูมิในขณะนัน้ๆ ถาหากเมื่อใดมีความถวงจําเพาะต่าํกวา 1.20 ที่อุณหภูมิของหองก็ควรจะมีการอัดไฟฟาได แตละเซลลของแบตเตอรี่จะมศีักยไฟฟาประมาณ 2 โวลต เพราะฉะนัน้ถารถยนตใชแบตเตอรี ่12 โวลตก็จะตองประกอบดวย 6 เซลล

ภาพประกอบของแบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบตะกัว่

2.2 แบตเตอรีส่ะสมไฟฟาแบบเอดิสัน (Edison storage battery)

แบตเตอรี่แบบนี้ประกอบแผนเหล็กกลา บรรจุผงเหล็กละเอียดสวนนี้ทาํหนาที่เปนขัว้ลบ สําหรับขั้วบวกเปนแผนเหลก็กลาบรรจุดวยนิเกิล(IV) ออกไซดไฮเดรต สวนอิเล็กโตรไลตเปนสารละลายที่มีโพแทสเซียมไฮดรอกไซด 21% ผสมลิเที่ยมไฮดรอกไซดเล็กนอย เมื่อมีการจายไฟฟา ปฏิกิริยาครึ่งเซลลเกิดขึ้นดังนี้ ขั้วลบ : Fe(s) + 2OH-(aq) Fe(OH)2(s) + 2e- ขั้วบวก : NiO2(s) + 2H2O + 2e- Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq) ปฏิกิริยาสุทธิ : Fe(s) + NiO2(s) + 2H2O Fe(OH)2(s) + Ni(OH)2(S)

15

เมื่อมีการอัดไฟฟา ปฏิกิริยาจะเปลี่ยนทิศทางจากขวาไปซาย ศักยไฟฟาของแตละเซลลของแบตเตอรี่แบบเอดิสัน มีคาประมาณ 1.4 โวลต ถาใชผงแคดเมียมมาแทนผงเหลก็จะเปนแบตเตอรี่สะสมไฟฟาแบบนกิเกลิ-แคดเมียม ซ่ึงมีศักยไฟฟาประมาณ 1.3 โวลต และมีปฏิกิริยาครึ่งเซลล พอสรุปไดดังนี ้ ขั้วลบ : Cd(s) + 2OH-(aq) Cd(OH)2(s) + 2e- ขั้วบวก: NiO2(s) + 2H2O + 2e- Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq) ปฏิกิริยาสุทธิ : Cd(s) + NiO2(s) + 2H2O Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s) แบตเตอรี่ทั้งสองแบบที่กลาวถึงในหัวขอที่ 2. มีขอดีคือ สามารถเก็บไวนานๆไดโดยไมเสื่อมคุณภาพ ใหศักยไฟฟาคอนขางคงที่ ใชกับอุปกรณวัดแสงในการถายรูป เครื่องคิดเลข และอ่ืนๆ

ประโยชนของเซลลอิเล็กโทรไลต

1. การชุบโลหะ หลักการทั่วไปสําหรับการชุบโลหะดวยไฟฟา 1. ใชโลหะทีจ่ะชุบเปนแคโทด 2. จะชุบดวยโลหะใดใชโลหะนัน้เปนแอโนด 3. สารละลายอิเล็กโทรไลต ตองมีไอออนของโลหะที่เปนแอโนด 4. ใชไฟฟากระแสตรง และควบคุมศักดิ์ไฟฟาของเซลลใหเหมาะสม

16

2. การทําโลหะใหบริสุทธ์ิ การทําโลหะใหบริสุทธิ์ดวยกระบวนการอเิล็กโทรลิซิส ใชหลักการเดยีวกับกับการชบุดวยไฟฟา โดยใชโลหะที่บริสุทธิ์เปนแคโทด โลหะที่ไมบริสุทธิ์เปนแอโนด และใชสารละลายที่มีไอออนของโลหะดังกลาวเปนอิเล็กโทรไลต เชนการทําทองแดงใหบริสุทธิ์ โดยทัว่ๆไปจะไดทองแดงจากการถลุงแร ซ่ึงจะมีความบริสุทธิ์ไมเกิน 99% ที่เหลือจะเปนพวกส่ิงเจือปนตาง ๆ เชน Fe Ag Au Pt และ Zn ถาใชกระบวนการอเิล็กโทรลิซิสเขาชวย จะไดทองแดงที่มีความบริสุทธิ์ถึง 99.95% ในอุตสาหกรรมจะสรางเซลลดังนี ้

การผุกรอนของโลหะและการปองกัน การผุกรอนของโลหะที่พบบอยในชีวิตประจําวนัไดแก เหล็กเปนสนิม (สนิมเหล็กเปนออกไซดของเหล็ก Fe2O3.xH2O) ซ่ึงเกิดจากสาเหตุหลายประการ ตัวอยางเชน การที่อะตอมของโลหะที่ถูกออกซิไดสแลวรวมตวักบัออกซิเจนในอากาศเกิดเปนออกไซดของโลหะนั้น เชน สนิมเหล็ก(Fe2O3) สนิมทองแดง (CuO) หรือสนิมอลูมิเนียม(Al2O3) การเกิดสนมิมีกระบวนการซับซอนมากและมีลักษณะเฉพาะตัวดังนี ้ 1. การผุกรอนของโลหะ คือปฏิกิริยาเคมีทีเ่กิดระหวางโลหะกับภาวะแวดลอม 2. ภาวะแวดลอมที่ทําใหผุกรอน คือ ความชื้น และออกซิเจน(H2O, O2) หรือ H2O กับอากาศ 3. ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดในการผุกรอน เปนปฏิกิริยารีดอกซ 3.1 โลหะที่เกิดปฏิกิริยา Oxidation (ใหอิเล็กตรอน) 3.2 ภาวะแวดลอมเปนฝายรับอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิริยา Reduction 4. สมการแสดงปฏิกิริยาการผุกรอน (เกิดจากการทดลอง) โลหะ + ภาวะแวดลอม Ion ของโลหะ + เบส Fe (s) + H2O (l) + O2 (g) Fe2+ (aq) + OH- (aq) Fe2+ ทดสอบโดยใชสารละลาย K3Fe(CN)6 จะไดสีน้ําเงิน ถาสีน้ําเงินเขม แสดงวาม ีFe2+ มาก ถาจางมี Fe2+ นอย เบส(OH-) ทดสอบโดยสารละลายฟนอลฟทาลีน ไดสีชมพู

17

5. ในการ Balance สมการ เมื่อเหล็กสัมผัสกับอากาศและความชื้น อะตอมของเหล็กจะเกดิoxidation reaction ดังสมการ Fe (s) Fe2+ (aq) + 2e ……………….(1) Oxidation น้ําและออกซิเจนรับอิเล็กตรอนจากเหล็ก ดังสมการ 2H2O (l) + O2 (g) + 4e 4OH- (aq) …………..…..(2) Reduction (1) * 2 + (2) ; 2Fe + 2H2O + O2 2Fe2+ + 4OH- ……………... (3) Redox

การปองกันสนิมเหล็ก 1. ทาสี ทาน้ํามัน การรมดํา และการเคลือบพลาสติก เปนการปองกันการถูกกับ O2 และความชืน้ ซ่ึงเปนการปองกันการเกิดสนิมของโลหะไดและเปนวิธีที่สะดวกและใหผลดีในการปองกันสนิม 2. โลหะบางชนิดมีสมบัติพิเศษ กลาวคือเมื่อทําปฏิกิริยากับออกซิเจนจะเกิดเปนออกไซดของโลหะเคลือบอยูบนผิวของโลหะนั้นและไมเกิดการผุกรอนอีกตอไป โลหะที่มีสมบัติดังกลาวไดแก อลูมิเนียม ดีบุก และสังกะสี การชุบ หรือเคลือบโดยโลหะที ่Oxide ของโลหะนั้นคงตัว สลายตัวยาก จะเปนผิวบางๆ คลุมผิวโลหะอีกท ีไดแก Cr (โครเมียม) และอลูมิเนียม(Al) เปนตน ดังนั้น Cr2O3.Al2O3 สลายตัวยาก เรียกชื่อวาวิธี อะโนไดซ (Anodize) หมายเหต ุ เหล็กกลาไมเกดิสนิม (stainless steel) เกิดจาก Fe ผสม Cr

3. การผุกรอนของโลหะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเชนเดยีวกับแอโนดในเซลลอิเล็กโทรไลต ดังนั้นถาไมตองการใหเกิดการผุกรอนจึงตองใหโลหะนั้นมีสภาวะเปนแคโทดหรอืคลายกับแคโทด โดยใชโลหะที่เสีย อิเล็กตรอนงายกวาเหล็กไปอยูกับเหล็ก ไดแก Fe ชุบ Zn สําหรับมุงหลังคา การฝงถุง Mg ตามทอ หรือการผูก Mg ตามโครงเรือ จะทาํให Fe ผุชาลง เนื่องจาก Zn & Mg เสีย e งายกวา Fe จะเสีย e แทน Fe เรียกชื่อวิธี แคโธดิก (Cathodic)

18

4. การปองกนัการผุกรอนของโลหะในระบบหลอเยน็แบบปด

เครื่องยนตที่ใชในรถยนตหรือเครื่องมือผลิตกระแสไฟฟาจะใชระบบหลอเย็นแบบปดเพื่อรักษาอุณหภูมขิองเครื่องยนตไมใหสูงมากเกินไป สารหลอเย็นที่ใชคือน้ําซ่ึงมีออกซิเจนละลายอยู ถาเครื่องยนตมีโลหะผสมของอลูมิเนียม ออกซิเจนที่ละลายอยูในน้ําจะถูกใชในการสรางฟลมอลูมิเนียมออกไซด และฟลมนี้จะปองกันการผุกรอนเครื่องยนตได แตถาเครื่องยนตมีสวนประกอบที่เปนโลหะผสมของเหล็ก สวนประกอบของเครื่องยนตที่สัมผัสกับน้ําจะเกิดการผุกรอนได เนื่องจากออกไซดของเหล็กไมมีสมบัติในการเปนสารเคลือบผิว จึงตองเติมสารยับยั้งการกัดกรอนซ่ึงประกอบดวยสารประกอบของไนไตรตโบแรกซ สารนี้จะทําใหน้ําในระบบหลอเยน็มี pH สูงกวา 8.5 และทําใหโลหะที่เปนสวนประกอบของเครื่องยนตเกิดoxidation reactionไดยาก การผุกรอนของโลหะจึงลดลง นอกจากนี้การใชระบบปดมผีลดีอีกประการหนึ่งคือเปนการจํากัดปริมาณของออกซอเจนที่ละลายลงไปในน้ําจึงทําใหการผุกรอนของโลหะลดลง

ความกาวหนาทางเทคโนโลยท่ีีเก่ียวของกับเซลลไฟฟาเคมี

1. การทําอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ําทะเล อิเล็กโทรไดอะลิซิสเปนเซลลอิเล็กโทรไลตที่ใชแยกไอออนออกจากสารละลายโดยให

ไอออนเคลื่อนที่ผานเยื่อบางๆ ไปยังขั้วไฟฟาที่มีประจุตรงกันขามซึ่งอยูริมทั้งสองดานทําใหสารละลายสวนกลางมีความเขมขนไอออนลดลงจึงนําหลักการนี้ไปแยกไอออนของโซเดียมและคลอไรดไอออนออกจากน้ําทะเลเพื่อผลิตน้ําจืดจากทะเลได 2. เซลลเชื้อเพลิง (fuel cell)

อีกวิธีหนึ่งทีใ่ชเปลี่ยนพลังงานเคมีเปนพลังงานไฟฟาไดแก เซลลเชื้อเพลิง ซ่ึงมีไดหลายแบบ ขึ้นกับวาจะใชสารอะไรเปนเชื้อเพลิง เชน ออกซิเจน(จากอากาศ) และน้ํามันเชื้อเพลิง (fossil fuel) หรือไฮโดรเจนและไฮดราซีน (hydrazine,N2H4) แตเชื้อเพลิงที่ใชกันมากไดแก H2 และ O2 ซ่ึงใชกันในยาน

19

อวกาศ เพราะเชื้อเพลิงที่ใชยงิจรวดเปนเชื้อเพลิงชนิดเดยีวกัน เซลลเชื้อเพลิงH2 - O2 แสดงในรูป ซ่ึงแบงไดเปนสามหอง คือหองทางซายเปนทางเขาของ H2 และหองทางขวาซึ่งเปนทางเขาของO2 และหองที่มีตําแหนงอยูกลางบรรจุอิเล็กโตรไลตซ่ึงเปนสารละลายเบส หองทั้งสามแยกออกจากกนัดวยขั้วไฟฟาที่มีลักษณะพรุน (porous electrode) ที่ทําดวยวัตถุตัวนํา เชน คารบอนผสมดวยแพลตินัมเล็กนอย เพื่อทาํหนาที่เปนตวัเรง เมื่อปอน H2 และ O2 เขาทางหองทางซายและทางขวาพรอมกัน แกสทั้งสองจะแพรผานไปยังขั้วไฟฟา และทําปฏิกิริยากับอิเล็กโตรไลตในหองกลาง ออกซิเจนถูกรีดวิซที่คาโทดเกิดเปน OH- ดังนี ้

Cathode : O2(g) + 2H2O(l) + 4e- 4OH-(aq) OH-จะซึมผานไปยังแอโนด และทําปฏิกิริยากับ H2 ดังนี้ Anode : H2(g) + 2OH-(aq) 2H2O(I)+2e- ปฏิกิริยาสุทธิของเซลลคือ การเปลี่ยน H2 (g)และ O2(g) เปนน้ํานั่นเอง 2H2(g) + O2(g) 2H2O(I) โดยปกตจิะใชอุณหภูมิสูงพอ เพื่อน้ําที่ไดสามารถระเหยออกจากเซลล และควบแนนเปนน้ําดื่มสําหรับมนษุยอวกาศ ถานําเชื้อเพลิงหลายๆเซลลมาตอเขาดวยกัน จะสามารถผลิตกระแสไฟฟาไดหลายๆกิโลวัตต เซลลเชื้อเพลิงมีขอดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับเซลลแหงหรือเซลลสะสมตะกั่ว เชนสามารถปอนเชื้อเพลิงตลอดเวลา จึงไดเกดิพลังงานขึ้นอยางไมมีที่ส้ินสุดและมีประสิทธิภาพสูงกวา นอกจากนี้แลว เซลลเชื้อเพลิงสามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีเปนพลังงานไฟฟาไดโดยตรง โดยไมมีผลิตผลพลอยไดที่ไมพึงปรารถนาอยางอื่น (การผลิตกระแสไฟฟาที่ใชกันในปจจุบนัทั่วไปตองใชเชื้อเพลิงในการตมน้ําใหไดไอเพื่อนําไปหมุนกังหนัที่ตอ) และยังมีประสิทธิภาพสูงกวา (เซลลเชื้อเพลิงอาจมปีระสิทธิภาพมากกวา 80% เปรียบเทียบกบัเครื่องกําเนิดไฟฟากังหันไอน้ํา ซ่ึงทั่วไปสูงเพียงประมาณ 40% เทานั้น)เซลลเชื้อเพลิงจึงอาจเปนแหลงพลังงานที่สําคัญในอนาคต

ภาพของเซลลเชื้อเพลิง