ไฟฟ้าเคมี€¦ ·...

ไฟฟ้าเคมี อ.ณัฐวัฒน์ ธนสารโชคพิบูลย ์

ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ และศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล ์

เมื่อต่อเซลล์ไฟฟ้าดังนี้

แผนภาพเซลล์

ค่าความต่างศักย์ที่วัดได้ คือ ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์

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

[Cu2+] = 1 M & [Zn2+] = 1 M

Zn (s) | Zn2+ (1 M) || Cu2+ (1 M) | Cu (s)

ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน

นักวิทยาศาสตร์ก าหนดให ้ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน หรือขั้วไฟฟ้าไฮโดรเจนมาตรฐาน มีศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน 0.00 V

ใช้เป็นคร่ึงเซลล์ในการเปรียบเทียบหาค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ชนิดอื่นๆ

E0 = 0 V Standard Hydrogen Electrode

(SHE)

2e- + 2H+ (1 M) H2 (1 atm)

ปฏิกิริยารีดักชันของโปรตอน

ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล ์

Eo = 0.34 V cell Eocell = Eo

cathode – Eoanode

0.34 = Eocathode – 0.00 V

Eocathode = + 0.34 V

ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล ์

Eocell = Eo

cathode – Eoanode

0.76 V = 0.00 V – Eoanode

Eoanode = – 0.76 V

Eo = 0.76 V cell

ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล ์

ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ทั้ง 3 ชนิด เมื่อน ามาจัดล าดับความสามารถ ในการรับอิเล็กตรอน จะได้ดังน้ี

ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์รีดักชัน (25oC)

ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์รีดักชัน (25oC)

ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์รีดักชัน (25oC)

ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์รีดักชัน (25oC)

ประโยชน์ของค่า Eo

1. ใช้เปรียบเทียบความสามารถในการเป็นตัวออกซิไดซ์ และตัวรีดิวซ์ เช่น

ประโยชน์ของค่า Eo

2. ใช้ค านวณหาศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ เช่น Ex.1 ถ้าน าครึ่งเซลล์ กับครึ่งเซลล์ ท่ี 25oC มาต่อเป็นเซลล์กัลวานิก ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์นี้มีค่า เท่าใด ก าหนดค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์ ดังนี ้

ประโยชน์ของค่า Eo

Ex.2 ถ้าน าครึ่งเซลล์ กับครึ่งเซลล์ ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์นี้มีค่าเท่าใด ก าหนดค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ ดังนี้

ประโยชน์ของค่า Eo

Ex.3 ใส่แผ่นโลหะสังกะสีลงในบีกเกอร์ที่มีสารละลายกรดไฮโดรคลอริก เข้มข้น 1.0 mol/dm3 จงค านวณศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ และท านายว่า ปฏิกิริยารีดอกซ์ เกิดขึ้นเองได้หรือไม่ โดยสมการแสดงปฏิกิริยา ระหว่างโลหะสังกะสีกับสารละลายกรดไฮโดรคลอริกเป็นดังน้ี

ประโยชน์ของค่า Eo

Ex.4 ใส่โลหะทองค าลงในสารละลายกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้น 1.0 mol/dm3 จงค านวณศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ และท านายว่าปฏิกิริยารีดอกซ์ เกิดขึ้นเองได้หรือไม่ โดยก าหนดปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

เซลล์ความเข้มข้น

ตัวอย่าง เซลล์ความเข้มข้นที่ประกอบด้วย 2 ครึ่งเซลล์ชนิดเดียวกัน ที่มีขั้วเหมือนกันในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ชนิดเดียวกัน แต่ความเข้มข้นต่างกัน เช่น

ประเภทของเซลล์กัลวานิก

เซลล์กัลวานิก แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ 1. เซลล์ปฐมภูมิ คือ เซลล์ที่สามารถน ามาประจุไฟฟ้ากลับมาใช้ ใหม่ไม่ได้ เช่น ถ่านไฟฉาย เซลล์แอลคาไลน์ เซลล์ปรอท เซลล์เงิน 2. เซลล์ทุติยภูมิ คือ เซลล์ที่สามารถน ามาประจุไฟฟ้ากลับมาใช้ ใหม่ได้ เช่น เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เซลล์นิกเกิล แคดเมียม

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

1. เซลล์ถ่านไฟฉาย

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

1. เซลล์ถ่านไฟฉาย ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น คือ

Zn2+ รวมกับ NH3 เกิดสารประกอบเชิงซ้อน [Zn(NH3)4]2+ และ

[Zn(NH3)2(H2O)2]2+ เพื่อรักษาความเข้มข้นของ Zn2+ และ NH3

เซลล์ชนิดนีม้ีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต ์

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

2. เซลล์แอลคาไลน ์

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

2. เซลล์แอลคาไลน ์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น คือ

เซลล์อัลคาไลน์มีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ 1.5 โวลต์ น้ า และไฮดรอกไซด์ (OH–) ที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาหมุนเวียนกลับไปเป็น

สารตั้งต้นของปฏิกิริยาได้อีก จึงท าให้ศักย์คงที่ตลอดการใช้งาน และใช้ได้นานกว่าเซลล์ถ่านไฟฉาย

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

3. เซลล์ปรอท

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

3. เซลล์ปรอท ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น คือ

เซลล์ปรอทมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ 1.3 โวลต์ ข้อดี คือ สามารถให้ศักย์ไฟฟ้าเกอืบคงที่ตลอดอายุการใช้งาน นิยมใช้

กันมากในเครื่องฟังเสียงส าหรับคนหพูิการ ข้อเสีย คือ ปรอทก าจัดยาก เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

4. เซลล์เงิน

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

4. เซลล์เงิน ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น คือ

เซลล์เงินมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ 1.5 โวลต์ เซลล์เงินมขีนาดเล็ก และมีอายุการใช้งานได้นานมากแต่มีราคาแพง จึง

ใช้กับอุปกรณ์ หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิด เช่น เครื่องคิดเลข นาฬิกา กล้องถ่ายรูป เครื่องช่วยตรวจการเต้นของหัวใจ เครื่องช่วยฟัง

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

5. เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน – ออกซิเจน เป็นเซลล์ที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนและแก๊สออกซิเจนผ่านเข้าไป

ในช่องแอโนด และ แคโทดตามล าดับ และใช้โซเดียมคาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์

ขั้วแอโนดใช้แกรไฟตผ์สมนิกเกิล ส่วนขั้วแคโทดใช้แกรไฟต์ผสมนิกเกิลและนิกเกิล (II) ออกไซด์ เพื่อช่วยเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วไฟฟ้า

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

5. เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน – ออกซิเจน 1. แบบ AFC 2. แบบ PEMFC

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

5. เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน – ออกซิเจน แบบที่ 1 ; เซลล์เชื้อเพลิงแบบเบส ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

แบบที่ 2 ; เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปล่ียนโปรตอน ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

6. เซลล์เชื้อเพลิงแบบเกลือคาร์บอเนตหลอมเหลว ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

7. เซลล์เชื้อเพลิงโพรเพน – ออกซิเจน ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

ปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงโพรเพน-ออกซิเจนนี้เสมือนกับ ปฏิกิริยาสันดาปของก๊าซโพรเพน เซลล์นี้อาจให้ ประสิทธิภาพการท างานสูงประมาณ 2 เท่าของ เครื่องยนต์ชนิดสันดาปภายใน

ประเภทของเซลล์กัลวานิกปฐมภูมิ

8. เซลล์เชื้อเพลิงแบบใช้เมทานอลโดยตรง ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

ประเภทของเซลล์กัลวานิกทุติยภูมิ

1. เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว จัดเป็นเซลล์ทุติยภูมิ (Secondary cell) เพราะเมื่อจ่ายไฟหมดแล้วสามารถประจุไฟ ใหมไ่ดอ้ีก

เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

1. การประจุไฟครั้งแรก

เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

1. การประจุไฟครั้งแรก

เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

1. การประจุไฟครั้งแรก เมื่อค านวณค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ จะได้ดังนี้

เซลล์ชนิดนี้ให้ศักย์ไฟฟ้า 2 โวลต์ เมื่อน าหลายๆเซลล์มาต่อกันแบบอนุกรมจะได้ศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้น เช่น แบตเตอรี่รถยนต์ที่มีจ านวนเซลล์ต่ออนุกรม 6 เซลล์ จะมีศักย์ไฟฟ้า 12 โวลต ์

เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

2. การจ่ายไฟ และการประจะไฟครั้งต่อไป

ประเภทของเซลล์กัลวานิกทุติยภูมิ

2. เซลล์นิกเกิล – แคดเมียม ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

ประเภทของเซลล์กัลวานิกทุติยภูมิ

3. เซลล์ลิเทียม – ไอออนพอลิเมอร์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

ประเภทของเซลล์กัลวานิกทุติยภูมิ

4. เซลล์โซเดียม – ซัลเฟอร์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ