เซลล์ไฟฟ้าเคมี

posted on 20 Feb 2011 10:44 by leelawat
สื่อการเรียนรู้ online เรื่องเซลล์ไฟฟ้าเคมี
 
เสนอ
 
ผศ.ดร.สุมาลี กาญจนชาตรี
 
 
จัดทำโดย
 
นส.ลีลาวัฒ กิตติกูล ม.5/2 ว.1
 
 
 
เซลล์ไฟฟ้าเคมี ประกอบด้วยเนื้อหา 3 ส่วน คือ
1. เซลล์กัลวานิก
2. เซลล์อิเล็กโทรไลต์
3. เซลล์ไฟฟ้าเคมีเทคโนโลยีเพื่อชีวิต

เซลล์กัลวานิก

posted on 20 Feb 2011 10:43 by leelawat
     เซลล์กัลวานิก (Galvanic Cell) หรือ เซลล์โวลตาอิก (Voltaic Cell) เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมี ที่สารทำปฏิกิริยากันแล้วให้กระแสไฟฟ้าออกมา เป็นเซลล์ที่สามารถเกิดขึ้นเองได้ โดยมีค่า เป็นค่าบวกเสมอ
 
     เซลล์กัลวานิก ประกอบด้วย 2 ครึ่งเซลล์ โดยแต่ละครึ่งเซลล์ประกอบด้วย ขั้วไฟฟ้า (Electhode) ที่จุ่มลงไปในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) แต่ละขั้วไฟฟ้าจะเชื่อมกันด้วยลวดตัวนำ ซึ่งมีโวลต์มิเตอร์ต่ออยู่ หากมีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น อิเล็กตรอนจะวิ่งไปยังขั้ว Cathode เข็มของโวลต์มิเตอร์จะเบนไปทางนั้น และระหว่างสองครึ่งเซลล์จะเชื่อมกันด้วย สะพานไอออน หรือ สะพานเกลือ (Salt bridge) ซึ่งทำหน้าที่รักษาสมดุลของไอออนในแต่ละครึ่งเซลล์
 
 
ภาพตัวอย่างของเซลล์กัลวานิก
 
     ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์กัลวานิกเป็น ปฏิกิริยารีดอกซ์ ซึ่งประกอบด้วย 2 ปฏิกิริยา ได้แก่

1. ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation Reaction) เป็นปฏิกิริยาที่มีการให้อิเล็กตรอน เกิดขึ้นที่ขั้วลบ หรือ Anode
 
2. ปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction Reaction) เป็นปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอน เกิดขึ้นที่ขั้วบวก หรือ Cathode
 
*ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ คือ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน และปฏิกิริยารีดักชัน ที่เกิดขึ้น
 
 
 
ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์

ครึ่งเซลล์มาตรฐานที่ใช้เปรียบเทียบความสามารถในการให้รับ e-  ของครึ่งเซลล์ต่างๆ จะใช้ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนเขียนแทนด้วย Pt(s) | H2(1atm) | H+(1M) และกำหนดให้ค่าศักย์ไฟฟ้าของไฮโดรเจนที่สภาวะมาตรฐาน (25°C,1atm) มีค่าเท่ากับ 0 volt

Eo H2  =    0.00     Volt

การวัดค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน ของเซลล์ไฟฟ้าใดๆ ทำได้โดยการนำครึ่งเซลล์มาตรฐานไฮโดรเจนต่อกับครึ่งเซลล์ที่สนใจ และขั้วไฟฟ้าจะต้องจุ่มอยู่ในสารละลายเข้มข้น 1 M. โดย

 E°Cell    =    E°Cathode - E°Anode

 

 
 
ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์

= -

 
ถ้า E°Cell    >    0   ปฏิกิริยาเกิดได้   

     E°Cell    <    0   ปฏิกิริยาเกิดไม่ได้  หรือเกิดได้ในทิศตรงกันข้าม

     E°Cell    =    0    ปฏิกิริยาเกิดไม่ได้แน่นอน

 

 

 

แหล่งอ้างอิง:

http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/electrochemistry/web/electrochem05.htm

http://www.saskschools.ca/curr_content/chem30_05/6_redox/redox2_2.htm

เซลล์อิเล็กโทรไลต์

posted on 20 Feb 2011 10:42 by leelawat
     เซลล์อิเล็กโทรไลต์ เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เกิดขึ้นเองไม่ได้ ต้องผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในเซลล์ จึงจะเกิดปฏิกิริยาเคมีได้
 
การแยกสารด้วยกระแสไฟฟ้า (Electrolysis)  แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
1. หลอมเหลว: ไม่มีน้ำเข้าไปเกี่ยวข้องในการเกิดปฏิกิริยา
2. สารละลาย: มีน้ำเข้าไปเกี่ยวข้องในการเกิดปฏิกิริยา
 

การแยกสารที่หลอมเหลว

     สารประกอบไอออนิกเมื่อเกิดการหลอมเหลว (อุณหภูมิสูง) จะแตกตัวเป็นไอออนและนำไฟฟ้าได้ เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าลงไปจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน สามารถนำมาใช้ในการแยกสารด้วยกระแสไฟฟ้าได้

 

ตัวอย่าง การแยก CaCl2 หลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟ้า

ในการทำอิเล็กโทรลิซิส CaCl2 ที่หลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟ้า ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

 

แคโทด :            Ca2+ เกิดปฏิกิริยารีดักชัน  ดังสมการ

                                                  Ca2+  ( l )   +   2e    ---->   Ca ( s )

แอโนด :            Clเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน  ดังสมการ

                                                  2Cl( l )   ---->   Cl2 ( g )   +   2e


ปฏิกิริยารวม :       Ca2+( l )   +   2 Cl( l )    ---->     Ca ( s )   +   Cl2 ( g )

 

การแยกสารละลายด้วยกระแสไฟฟ้า

ตัวอย่าง การแยกสารละลาย CuSO4 ด้วยกระแสไฟฟ้า

ในสารละลาย CuSO4 มี Cu2+ , SO42- , H2O

ขั้วที่ต่อกับขั้วลบของ battery ต้องมีการรับ e- จึงพิจารณา Cu2+ และ H2O พบว่า Cu2+ มีค่า E0 มากกว่า ดังนั้น Cu2+ จึงเป็นตัวรับ e- เกิดปฏิกิริยารีดักชัน

แคโทด :      Cu2+ ( aq )   +   2e    ---->     Cu ( s )

ขั้วที่ต่อกับขั้วบวกของ battery ต้องมีการให้ e- จึงพิจารณา SO42- และ H2O ในสารละลาย พบว่า H2O มีค่า  น้อยกว่า ดังนั้น H2O จึงเป็นตัวจ่าย e- เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน

แอโนด :     H2O ( l )    ---->     O2 ( g )   +   2H+( aq )   +   2e

ปฏิกิริยารวม : Cu2+ ( aq ) + H2O ( l )  ---->  Cu2+( aq )  +  O2( g ) + 2H+( aq )

 

 

 

เซลล์อิเล็กโทรไลต์กับอุตสาหกรรมเคมี

     ประกอบด้วย 3 เรื่อง ได้แก่ การชุบโลหะ การทำโลหะให้บริสุทธิ์ และการทำอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ำทะเล

1. การชุบโลหะ


หลักการชุบโลหะ

  1. สิ่งที่นำมาชุบต้องไว้ด้านแคโทดเสมอ

  2. โลหะที่ใช้ชุบต้องไว้ด้านแอโนดเสมอ

  3. สารละลายที่ใช้ต้องเป็นชนิดเดียวกับโลหะที่ใช้ชุบ

  4. กระแสไฟฟ้าที่ใช้ต้องเป็นกระแสตรง

  5. ความเข้มข้นของสารละลายจะไม่เปลี่ยนแปลง

 

2. การทำโลหะให้บริสุทธิ์


หลักการทำโลหะให้บริสุทธิ์

  ใช้หลักการเช่นเดียวกับการชุบโลหะแตกต่างกันที่ด้านแคโทดต้องเป็นโลหะชนิดเดียวกันกับโลหะที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์ และสารเจือปนในโลหะควรมีความสามารถในการรีดิวซ์ หรือออกซิไดส์ แตกต่างจากโลหะที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์มากพอควร เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปสิ่งที่เกิดขึ้น คือ

  1. มีโลหะบริสุทธิ์มาเกาะด้าน Cathode

  2. โลหะเจือปนที่เป็นตัวรีดิวซ์ที่ดีจะกลายเป็นไอออนในสารละลาย

  3. โลหะเจือปนที่เป็นตัวออกซิไดส์ที่ดีจะตกตะกอน

 

3. การทำอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ำทะเล

     อิเล็กโทรไดอะลิซิส เป็นเซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้แยกไอออนจากสารละลายโดยให้ไอออนเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนไอออน ซึ่งเป็นเยื่อบางๆ ไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีขั้วตรงกันข้าม สารละลายจึงมีความเข้มข้นลดลง ใช้หลักการนี้ในการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล

     เมื่อผ่านน้ำทะเลเข้าทางช่อง A  B  และ ไอออนบวกในน้ำทะเลที่ผ่านเข้าทางช่อง B เช่น Na+ หรือ Mg2+ จะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนไอออนบวกเข้าหาขั้วลบ ส่วนไอออนลบ เช่น Cl   SO42–   จะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนไอออนลบเข้าหาขั้วบวก ดังนั้นน้ำที่ไหลออกทางช่อง B จึงมีไอออนน้อยลง และเมื่อไม่มี Na+ น้ำที่ผ่านออกทางช่อง B จึงเป็นน้ำจืด

 

แหล่งอ้างอิง:

http://www.promma.ac.th/main/chemistry/web_electrochemistry/new_page_30.htm

http://www.promma.ac.th/main/chemistry/web_electrochemistry/new_page_19.htm

     เซลล์กัลวานิก แบ่งตามลักษณะปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ เป็น 2 ประเภท ได้แก่

1. เซลล์ปฐมภูมิ เป็นเซลล์ที่เมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นภายในเซล์แล้ว ปฏิกิริยาจะเกิดอย่างสมบูรณ์ ปฏิกิริยาย้อนกลับไม่ได้ หรือนำมาอัดไฟใหม่ไม่ได้ ได้แก่
 
     1. เซลล์ถ่านไฟฉาย หรือเซลล์เลอคลังเช

     2. เซลล์แอลคาไลน์

 
     3. เซลล์ปรอท
     4. เซลล์เงิน

     5. เซลล์เชื้อเพลิง

         1. เซลล์เชื้อเพลิง H2 - O2

 
        2. เซลล์เชื้อเพลิง C3H8 - O2
 
2. เซลล์ทุติยภูมิ เป็นเซลล์ที่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ โดยการอัดไฟเข้าไปใหม่ ได้แก่
 
      1. เซลล์นิแคด
      2. เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว
      3. แบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์แข็ง
      4. เซลล์โซเดียม - ซัลเฟอร์
      5. แบตเตอรี่อากาศ
 
 
แหล่งอ้างอิง:
http://lab.excise.go.th/group3/battery/batstruc.htm
http://www.promma.ac.th/main/chemistry/web_electrochemistry/silver_cell.htm
http://www.maceducation.com/e-knowledge/2432209100/07.htm
http://kingkong99.freeforums.org/viewtopic.php?f=20&t=4070&view=next&sid=8a9ff841fb1799edfcd113ffe21fdcd5