บทท 17 ปฏกรยาไฟฟาเคม2

ในการศกษาปฏกรยาไฟฟาเคมทำาใหทราบวา ปฏกรยาเคมสามารถทำาให

เกดกระแสไฟฟา และทางตรงขามกระแสไฟฟากจะทำาใหเกดปฏกรยาเคมได หลก 2 ประการนใชเปนหลกการของเซลลกลวานก และเซลลอเลกโทรไลต ตามลำาดบ สำาหรบ

ในบทนจะไดนำาเอาประโยชนของเซลลไฟฟาเคมมาประยกตใชในชวตประจำาวน เชน เซลลกลวานกทใชเชงพาณชย การชบโลหะดวยไฟฟา การทำาโลหะใหบรสทธดวยไฟฟา

การถลงแร การผกรอนของเหลก

17.1 ประโยชนของเซลลกลวานก17.1.1 ความหมายและการจำาแนกประเภทของเซลลกลวานกในเชงพาณชย

เซลลกลวานกในเชงพาณชย คอ เซลลกลวานกทผลตขนมาเพอทำาการคาขายในเชงพาณชย จำาแนกออกเปน 2 ประเภทดงน

1. เซลลปฐมภม (Primary cell) เซลลปฐมภม คอ เซลลไฟฟาประเภทหนงทเมอสรางเสรจแลวนำาไปใชเพอจายกระแสไฟฟาออกได

ทนท เมอใชไปแลวสวนประกอบบางสวนจะหมดเปลองไปโดยไมกลบคงคนเปนสภาพเดมไดอก หรอไมสามารถนำากลบ ไปอดไฟและนำากลบมาใชไดอก เชน เซลลดาเนยล เซลลแหง เปนตน

2. เซลลทตยภม (Secondary cell หรอ Reversible cell) เซลลทตยภม คอ เซลลไฟฟาประเภทหนงทเมอสรางเสรจแลวตองนำาไปอดไฟเสยกอนแลวจงจะนำา ไปใชเพอจายกระแสไฟฟาออกได เมอใชไปแลวสวนประกอบบางสวนจะหมดเปลอง และแปรสภาพไป แตอาจทำาใหกลบ

คงสสภาพเดมไดอก โดยนำานำาเซลลไฟฟาอดไฟใหม เชน เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว เซลลนกเกล - แคดเมยมเปนตน

ตารางท 17.1 เซลลกลวานกในเชงพาณชยบางชนดชนดของเซลล แอโนด

(ออกซเดชน)แคโทด

(รดกชน)สารอเลกโทรไลต ศกยไฟฟาของ

เซลลตอ 1 ซลลเซลลถานไฟฉายเซลลสะสมไฟฟาแบบเอดสน

เซลลนกเกล-แคดเมยมเซลลเงนเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกวเซลลปรอทเซลลแอลคาไลแบตเตอรลเทยม

ZnFeCdCdPd

Zn (Hg)Zn (Hg)

MnO2NiO2NiO2

Ag2O หรอ AgOPbO2HgO

NH4Cl - ZnCl2KOHKOHKOH

H2SO4KOH-ZnO

0.9 - 1.41.2 - 1.41.1 - 1.31.0 - 1.1

1.95 - 2.041.30

Li MnO2MnO2

KOHKOH

0.9 - 1.23.4

17.1.2 เซลลแหง (Dry cell) เซลลแหง (Dry cell) คอ เซลลกลวานกซงประกอบดวยสารทไมไหลหกออกนอกเซลลได สาร

เหลานจะอยในรปของของแขง หรอกงของเหลวทไมสามารถไหลไดอยางรวดเรว เซลลแหงสามารถอยในรปกรด หรอ เบส ทงนขนอยกบชนดของสารอเลกโทรไลต

เซลลแหง เปนเซลลปฐมภมชนดหนง แบงออกเปน 2 ประเภท คอ

1. เซลลแหงชนดกรด (Acidic dry cells) เซลลแหงชนดกรด คอ เซลลแหงทใชสารอเลกโทรไลตทมสมบตเปนกรด เชน ถานไฟฉาย

2. เซลลแหงชนดเบส (Alkaline dry cells) เซลลแหงชนดเบส คอ เซลลแหงทใชสารอเลกโทรไลตทมสมบตเปนเบส เชน เซลลแอลคาไลน เซลล ปรอท เซลลเงน

ตวอยางของเซลลแหง

ก. ถานไฟฉาย ถายไฟฉาย เปนเซลลปฐมภมชนดเซลลแหง ชนดกรด นยมใชเปนแหลงกำาเนดไฟฟาในวทย ของเลนเดก

และหลอดไฟ flash สำาหรบถายรป ถานไฟฉาย อาจจะเรยกชอหนงวา เซลลเลอคงเช ( Leclanche cell) ผประดษฐเซลลชนดนคอ Georges Leclanche นกวศวะชาวฝรงเศส ประดษฐขนใน

ป ค.ศ. 1866 ถานไฟฉายมศกยไฟฟาของเซลลเรมตน ประมาณ 1.5 โวลต แตถาใชไปนาน ๆ ศกยไฟฟาของเซลลจะ

ตกเหลอประมาณ 0.8 โวลต ขณะทเกดปฏกรยาจะเกดสารผลตภณฑสะสมอยภายในเซลล และถาเซลลนถกท งไม

ใชเปนวน ๆ ศกยไฟฟาของเซลลจะกลบเพมขนเปน 1.3 โวลต ขณะนนสารผลตภณฑทเกดจะกระจดกระจายอยทว

ไปในอเลกโทรไลตนน

รปท 17.1 ถานไฟฉายหรอเซลลเลอคลงเชสวนประกอบของถานไฟฉาย

ถานไฟฉาย 1 เซลล ประกอบดวย 2 ขว คอ ภาชนะททำาดวยสงกะสเปนขวแอโนด และใชแกรไฟต

(คารบอน) เปนขวแคโทด เปนแทงอยตรงกลาง และของผสมทชนของแอมโมเนยมคลอไรด (NH4Cl) แมงกานส (IV) ออกไซด ซงคคลอไรด และสารเฉอยทเปนฉนวน ไดแก สารทเปนเศษขเลอย ของผสมนถกแยก

ออกจากกนดวยกระดาษแผนรพรนแยกจากสงกะสแอโนด โดยกระดาษแผนรพรนทำาหนาทเหมอนสะพานไอออนใน เซลลกลวานก เมอเซลลขบกระแสไฟฟาออกมาจะพบวาทแอโนด สงกะสถกออกซไดสเกดสงกะสไอออนและอเลกตรอน

และทแคโทด แมงกานส (IV) ออกไซด เกดปฏกรยารดกชน โดยแมงกานสเปลยนเลขออกซเดชนจาก +4 ใน MnO2 เปน +3 ใน Mn2O3 ปฏกรยาทเกดในถานไฟฉายเปนดงน

แอโนด(ขวลบ) หรอขว Zn ; Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e- E0 =

+0.763 V

แคโทด (ขวบวก) หรอขวแกรไฟต ; MnO2 (s) + 2NH4

+ (aq) + 2e- Mn2O3 (s) + 2NH3 (g) + H2O (l) E0 = +0.50 V

ปฏกรยาสทธของเซลล ;Zn(s) + MnO2 (s) + 2NH4

+ (aq)Zn2+ (aq) + Mn2O3 (s) + 2NH3 (g) + H2O (l) ; 0

cellE = 1.26 V

ศกยไฟฟาของเซลลทคำานวณได ทำาทภาวะมาตรฐาน (250 C 1 atm) แตศกยไฟฟาของเซลล ในถานไฟฉายกลบเปน 1.5 คาทงสองนตางกนเลกนอย เพราะถานไฟฉายประกอบดวยสารทมความเขมขนสงกวา

ความเขมขนทภาวะมาตรฐาน

กาซแอมโมเนยทเกดขนทขวแคโทด ทำาปฏกรยากบสงกะสไอออน เกดสารเชงซอน [ Zn(NH3)4]2+ ดงน

Zn2+ (aq) + 4NH3 (g) [ Zn(NH3)4]2+(aq) ปฏกรยานชวยลดความเขมขนของสงกะสไอออน ทำาใหศกยไฟฟาของเซลลเกอบคงท และยงชวยปองกนไม

ใหโมเลกลของกาซแอมโมเนย ซงเปนฉนวนรวมตวกนเปนชนบาง ๆ ไปเกาะทผวขวแคโทด เรยกวา เกด

Polarization ซงจะทำาใหกระแสไฟฟาหยดไหลหรอลดลงได นอกจากนนปฏกรยานยงชวยลดความดนท เกดจากกาซแอมโมเนย ซงอาจจะดนใหเซลลแตกเสยหายได

ถานไฟฉายเปนเซลลปฐมภมทมอายการใชงานสนเมอเทยบกบราคาแลวจะแพงกวา และเกดพลงงานตอหนง

หนวยมวลตำา (0.0666 kwh/kg) สงกะสทใชทำาภาชนะ ผกรอนงาย ไมเหมาะสมทจะใชเปนแหลง กำาเนดไฟฟาในเครองมอ และอปกรณตาง ๆ เพราะการผกรอนงายของสงกะสทำาใหเซลลรงแตกออก เกดความเสย

หายตออปกรณตาง ๆ ได

ข. เซลลอคคาไลน (Alkaline dry cells) เซลลอลคาไลน เปนเซลลปฐมภมชนดหนง ซงใชหลกการเดยวกนกบถานไฟฉาย แตสารละลายอ

เลกโตรไลตจะใช สารละลายโพแทสเซยมไฮดรอกไซด แทนแอมโมเนยมคลอไรด ภาชนะทท ำาดวยสงกะสจงไมผกรอนได

งายใน OH- ทขวแอโนดถกลอมรอบดวยสารผสมระหวางสงกะสกบโพแทสเซยมไฮดรอกไซดมลกษณะเปนกาว

(Paste) สวนทขวแคโทดมสารละลายผสมระหวางแมงกานส (IV) ออกไซดกบแกรไฟตลอมรอบ เซลล

ชนดนมศกยไฟฟาของเซลลเทากบ 1.54 โวลต เกอบคงท และมอายการใชงานยาวนานกวาถานไฟฉาย เมอ เทยบราคาแลวถกกวา ปฏกรยาทเกดขนในเซลลเปนดงน

ทแอโนด ; Zn(s) + 2OH- (aq) ZnO (s) + H2O (l) + 2e-

ทแคโทด ; 2MnO2 (s) + H2O (l) + 2e- Mn2O3 (s) + 2OH- (aq)

ปฏกรยาสทธของเซลล คอ

Zn(s) + 2MnO2 (s) Zn(OH)2 (s) + Mn2O3 (s)

รปท 17.2 เซลลอลคาไลน เซลลอลคาไลนมขนาดเลก นยมใชในกลองถายรป เครองคดเลข และนาฬกา

ค. เซลลปรอท ( Mercury cell) เซลลปรอท ( Mercury cell) หรอเซลลรบน - มาลอร (Rubin -

mallory cell) เปนเซลลอลคาไลน เชนเดยวกบเซลลอลคาไลน และมลกษณะคลายกน เปลยนเฉพาะสา

รอเลกโทรไลตจาก MnO2 เปน HgO ( เมอควร (II) ออกไซด) เซลลชนดนมศกยไฟฟาของเซลล

1.35 โวลต ปฏกรยาทเกดขนในเซลลดงน

แอโนด ; Zn (s) + 2OH- (aq) ZnO (s) + H2O (l) + 2e- , E0 = 1.25 V

แคโทด ; HgO (s) + H2O (l) + 2e- Hg (l) + 2OH- (aq) , E0 = 0.098 V

ปฏกรยาสทธ ; Zn (s) + HgO (s) ZnO (s) + Hg (l) , 0

cellE = 1.35 V

รปท 17.3 เซลลปรอท เซลลปรอทมขนาดเลกเทาเมดกระดม นยมใชในเครองมอและอปกรณตาง ๆ เชน เครองฟงเสยงของคน

พการ นาฬกาขอมอ เกมสกด เครองคดเลข และกลองถายรป

ง. เซลลเงน (Zinc-silver oxide cell หรอ Button Battery)

เซลลเงน คอ เซลลปฐมภมเชนเดยวกบเซลลอลคาไลน และใชหลกการเดยวกน เพยงแตใช AgO แทน MnO2 เทานน เซลลชนดนมศกยไฟฟาของเซลล เทากบ 1.58 V ปฏกรยาทเกดขนในเซลลดงน

ทขวแอโนด ; Zn (s) + 2OH- (aq) ZnO (s) + H2O (l) + 2e- , E0 = 1.25 V

ทขวแคโทด ; 2AgO (s) + H2O (l) + 2e- Ag2O (s) + 2OH- (aq) , E0 = 0.61 V

ปฏกรยาสทธ ; Zn (s) + 2AgO (s) ZnO (s) + Ag2O (s) , 0

cellE = 1.86 V

ภายหลงจากซลเวอร(II) ออกไซดถกใชในการเกดปฏกรยาสมบรณ เซลลนกยงคงเกดปฏกรยารดกชนตอ

ไป โดยซลเวอร (I) ออกไซด (Ag2O) เปลยนไปเปนโลหะเงน (Ag) แตจะใหคาศกยไฟฟาของเซลลตำาลง ดงสมการของปฏกรยาตอไปน

Zn (s) + Ag2O (s) + H2O (l) Zn(OH)2 (s) + 2Ag (s) , E0 = 1.58 V

เซลลเงนมอายการใชงานยาวกวาเซลลปฐมภมอน ๆ แตราคาแพงกวา เพราะเซลลนประกอบดวยเงน เซลล เงนปจจบนพบวาใชประโยชนเปนแหลงใหพลงงานไฟฟา ในนาฬกาขอมอ เครองคดเลขไฟฟา และกลองถายรป

อตโนมต

รปท 17.4 เซลลเงน

17.1.3. เซลลทตยภม (Secondary cell หรอ

Reversible cell) เซลลทตยภม เปนเซลลกลวานกชนดหนงทสารตงตนทถกใชไปแลวสามารถทำาใหกลบคนมาใหมได โดย

การผานไฟฟากระแสตรงลงไปในเซลลดวยปรมาณทพอเหมาะ ซงเรยกกระบวนการนวา อดไฟ (Charging หรอ Recharging) เซลลชนดนกอนจะนำาไปใชตองนำาไปอดไฟเสยกอน แลวจงนำาไปใชเพอจายกระแส

ไฟฟาออกได และเมอใชไปนาน ๆ สารตงตนจะถกใชหมดไป จงตองนำาไปอดไฟใหมเพอใหสารผลตภณฑกลบมาเปน

สารตงตนใหมอกครง แลวสามารถนำาไปใชจายกระแสไฟฟาตอได เชน เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว เซลลนกเกล-แคดเมยม

ก. เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว (Lead storage battery) เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว เปนเซลลกลวานกชนดเซลลทตยภม ทสามารถอดไฟนำากลบมาใชใหมได

และเนองจากตะกวเปนธาตทมความหนาแนนสง จงเปนผลทำาใหเซลลชนดนใหพลงงานตอหนงหนวยมวลตำา (0.022 Kwh/kg) เมอนำาเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกวตอกนเปนอนกรม 6 เซลล มศกยไฟฟาของ

เซลลประมาณ 12 โวลต แตละเซลลประกอบดวยแอโนด เปนตะกวอด พนผวขรขระเปนรพรน และแคโทดเปน

แผนตะกวเคลอบหมดวยเลด (IV) ออกไซด (PbO2) ขวทงสอง จมในสารละลายกรดกำามะถนเขมขน 40% โดยมวล ( ประมาณ 5.3 mol/dm3 ) มความถวงจำาเพาะ 1.3 และถา

ความถวงจำาเพาะตำากวา 1.1 จะตองนำาไปอดไฟใหม

รปท 17.5 เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว และแบตเตอร

ปฏกรยาทเกดขนจากการจายไฟของเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว เปนดงน

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

, E0 = +0.356 V ทขวแคโทด ; PbO2 (s) + 4H+ (aq) + SO4

2- (aq) + 2e- PbSO4 (s) + 2H2O (l) , E0 = +1.685 V

ปฏกรยาสทธเปนดงน

Pb (s) + PbO2 (s) + 4H+ (aq) + 2SO42- (aq)

2PbSO4 (s) + 2H2O (l) , 0cellE = +2.041 V

ขณะทเกดกระแสไฟฟาขนในวงจรของเซลลจะเกดตะกอน PbSO4 ตกลงทกนภาชนะ ความเขมขน ของกรดกำามะถนลดลง และลดลงถงจดหนงตองนำาไปอดไฟใหม

การสรางเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว

สวนประกอบ ( กอนอดไฟ ) ประกอบดวยแผน Pb 2 แผนจมอยในสารละลายกรดกำามะถน (H2SO4) เขมขน

5.3 mol / dm3 ในภาชนะ ตอใหครบวงจรเขากบเครองโวลตมเตอร พบวา เขมของโวลตมเตอรไมเบน แสดงวาไมมกระแสไฟฟาไหลในวงจร

1. การอดไฟครงแรก เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกวอยในรปเซลลอเลกโทรไลต

รปท 17.6 เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกวอดไฟฟาครงแรก

เมอตอแหลงกำาเนดไฟฟาเขากบแผนตะกว (Pb) ทงสองแผนแทนโวลตมเตอร แลวผานกระแสไฟฟา ปรมาณพอเหมาะลงในสารละลายกรดกำามะถน จะเกดการเปลยนแปลงขนดงน

ทขว A (Anode) ซงตอกบขวบวกของแหลงกำาเนดไฟฟาเปนขวบวก พบวามสารสนำาตาลดำา

ของเลด (IV) ออกไซด (PbO2) มาเกาะเคลอบทแผน Pb อธบายไดวา Pb ถกออกซไดซเกด PbO2 (สารสนำาตาลดำา)ดงน

(1) Pb (s) Pb2+ (aq) + 2e-

(2) Pb2+ (aq) + 2H2O (l) PbO2 (s) + 4H+

(aq) + 2e-

สมการรวม ; Pb(s) + 2H2O (l) PbO2 (s) + 4H+

(aq) + 4e- (ปฏกรยาออกซเดชน) ทขว B (Cathode) ซงตอกบขวลบของแหลงกำาเนดไฟฟาเปนขวลบ มฟองกาซ H2

เกดรอบ ๆ แผน Pb อธบายไดวา H+ ในสารละลายกรดกำามะถน ถกรดวซเปนกาซ H2 ดงน2H+ (aq) + 2e- H2 (g)

2. การจายไฟ เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกวอยในรปเซลลกลวานก

รปท 17.7 เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกวขณะจายไฟ

หลงจากอดไฟสกครหนงปลดแหลงกำาเนดไฟฟาออก ตอโวลตมเตอรแทนเซลลดงรป 17.7 จะพบวา เขมโวลตมเตอรเบนได โดยเบนจากขว B ไป A เกดการเปลยนแปลงดงน

ทขว B เปนขวลบ แผนตะกวสกกรอน เกดคราบสขาวตกอยกนภาชนะอธบายไดวา Pb เกดปฏกรยา ออกซเดชนให Pb2+ ซงจะทำาปฏกรยาตอกบ SO4

2- ในสารละลายกรดกำามะถน เกดตะกอนสขาวของ PbSO4 ไมละลายนำา ดงนน ขว B เปน Anode

(1) Pb(s) Pb2+ (aq) + 2e-

(2) Pb2+ (aq) + SO42+ (aq) PbSO4 (s)

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

………….. (3)

ทขว B เปนขวบวก PbO2 ทเคลอบอยบนแผน Pb สนำาตาลดำาหายไป เกดตะกอนสขาวขน อธบายไดวา PbO2 เกดปฏกรยารดกชนกบ H+ เกด Pb2+ และ H2O แลว Pb2+ ทำา

ปฏกรยาตอกบ SO42- ในสารละลายกรดกำามะถน เกดตะกอนสขาวของ PbSO4 ไมละลายนำา ดงนน ขว

A เปน Cathode

(4) PbO2 (s) + 4H+ (aq) + 2e- Pb2+ (aq) + 2H2O (l)

(5) Pb2+ (aq) + SO42- (aq) PbSO4

(s) ปฏกรยารวม ; PbO2 (s) + 4H+ (aq) + SO4

2- (aq) + 2e- PbSO4

(s) + 2H2O (l) ………… (6) ปฏกรยาสทธของการจายไฟของเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว คอ สมการ (3) + (6)

Pb (s) + PbO2 (s) + 4H+ (aq) + 2 SO42- (aq)

2PbSO4 (s) + 2H2O (l)

3. การอดไฟครงท 2

เซลลสะสมไฟฟาเมอจายไฟฟาไปนาน ๆ ตองนำามาอดไฟใหม สำาหรบปฏกรยาในการอดไฟในครงท 2 และครงตอ ๆ ไปจะเกดขนเหมอนกน ยกเวนการอดไฟครงแรกทแตกตางกนเทานน

สำาหรบปฏกรยาการอดไฟครงท 2 เกดตรงขามกบปฏกรยาการจายไฟ โดยเปลยนสารผลตภณฑ ทเกดขนจากการจายไฟมาเปนสารตงตนใหม สวนขวบวก ขวลบกยงคงเปนขวเดมไมวาจะเปนการอดไฟหรอจายไฟ

ปฏกรยาเคมทเกดขนในแตละขนเปนดงน

ทขว A เปนขวบวก เกดปฏกรยาออกซเดชน จงเปน Anode PbSO4 (s) + 2H2O (l) PbO2 (s) + 4H+

(aq) + 2e-

ทขว B เปนขวลบ เกดปฏกรยารดกชน จงเปน CathodePbSO4 (s) + 2e- Pb (s) + SO4

2- (aq) ปฏกรยาสทธของการอดไฟครงท 2 และครงตอ ๆ ไปเปนดงน

2PbSO4 (s) + 2H2O (l) Pb(s) + PbO2 (s)+4H+ (aq) + 2SO4

2- (aq)สรป ปฏกรยาการจายไฟและอดไฟทวไปเปนดงน

Pb(s) + PbO2 (s)+4H+ (aq) + 2SO42- (aq)

2PbSO4 (s) + 2H2O (l)

ตารางท 17.2 การเปรยบเทยบความแตกตางของการจายไฟและการอดไฟของเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกวการจายไฟ การอดไฟ

ขว Pb - เกดปฏกรยาออกซเดชน- ขวแอโนด- ขวลบ เพราะอเลกตรอนไหลออก

- เกดปฏกรยารดกชน- ขวแคโทด- ขวลบ เพราะตอเขากบขวลบของแหลงกำาเนดไฟฟา

ขว PbO2 - เกดปฏกรยารดกชน- ขวแคโทด- ขวบวก เพราะอเลกตรออนไหลเขา

- เกดปฏกรยาออกซเดชน- ขวแอโนด- ขวบวก เพราะตอเขากบขวบวกของแหลงกำาเนดไฟฟา

ชนดของเซลล เซลลกลวานก เซลลอเลกโทรไลต

ลกษณะสำาคญของเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว

1. เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว ขณะอดไฟเปนเซลลอเลกโทรไลต และจายไฟจะเปนเซลลกลวานก

2. การอดไฟครงแรกเกดปฏกรยาแตกตางจากการอดไฟครงอน ๆ

3. การอดไฟครงท 2 , 3 , … เกดปฏกรยาเหมอนกน แตปฏกรยายอนกลบ กบปฏกรยาจายไฟ

4. ปฏกรยาการจายไฟ จะเกดเหมอนกนทกครง

การจายไฟ

การอดไฟ

5. เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว 0cellE = +2.041 V เมอนำามาตอกน 6 เซลลแบบ

อนกรมจะมศกยไฟฟาของเซลลประมาณ 12 V6. เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว ขณะทจายไฟและอดไฟสารทใชและทเกดขนใหมเปนไปตามตารางน

การจายไฟ การอดไฟ

สารทใช Pb , PbO2 , H2SO4

PbSO4 , H2Oสารทเกด PbSO4 , H2O Pb , PbO2 ,

H2SO4

7. สารละลายกรด H2SO4 มความเขมขน 40% โดยมวลความถวงจำาเพาะ 1.3 ถาใชไฟไปนาน ๆ จะ พบวาสารละลายกรด H2SO4 มความถวงจำาเพาะลดลงเหลอ 1.10 ตองนำาไปอดไฟ

ใหม

8. เครองมอทใชวดความถวงจำาเพาะของกรด H2SO4 คอ ไฮโดรมเตอร

ข. เซลลนกเกล - แคดเมยม (Nickel - Cadmium cell) เซลลนกเกล - แคดเมยม หรอ เรยกอกชอหนงวา เซลลนแคด (Nicad cell) เปน

เซลลทตยภมชนดหนงทใชไฟหมด แลว สามารถนำาไปอดไฟใชใหมได

รปท 17.8 แสดงสวนประกอบของเซลลนกเกล - แคดเมยม

เซลลนกเกล - แคดเมยม ใชกบนาฬกาขอมอ เครองคดเลข เครองโกนหนวดไฟฟา และเครองมอถายภาพ เซลลชนดนมแอโนดเปนโลหะแคตเมยม และแคโทดเปนนกเกล (IV) ออกไซดใชเบสเปนสารละลายอเลกโตรไลต

ปฏกรยาทเกดขนเปนดงน

ทแอโนด ; Cd (s) + 2OH- (aq) Cd (OH)2 (s) + 2e-

, E0 = 0.81 V

ทแคโทด ; NiO2 (s) + 2H2O (l) + 2e- Ni(OH)2 (s) + 2OH- (aq) , E0 = 0.49 V

ปฏกรยารวม ; Cd (s) + NiO2 (s) + 2H2O (l) Cd (OH)2 (s) + Ni(OH)2 (s) , 0

cellE = +1.30 V สารผลตภณฑจากปฏกรยาเปนของแขงหมเกาะแนนอยทผวแตละขว ดงนน เมอใชไฟไปนาน ๆ จงตองนำาไป

อดไฟใหม เพอใหสารทเปนของแขงเหลานนหลดออก กลายเปนสารตงตนใหม เซลลชนดนไมเกดกาซจงไมเกด Polarization ดงนน ศกยไฟฟาของเซลลจงคงท คอ มคาเทากบ 1.30 V นอยกวาเซลลถานไฟฉายเลกนอย

ตารางท 17.3 เปรยบเทยบเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกวกบเซลลนกเกล - แคตเมยมเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว เซลลนเกล - แคดเมยม

ประเภทของเซลล เซลลทตยภม เซลลทตยภมศกยไฟฟาของเซลล 2.041 V 1.30 Vขวไฟฟา

แอโนด (ขวลบ) แคโทด (ขวบวก)

PbPbO2

CdNiO2

สารละลายอเลกโทรไลต กรด H2SO4 เบส KOH หรอ NaOHขนาดของเซลล ใหญ เลกการจายไฟ เซลลกลวานก เซลลกลวานกการอดไฟ เซลลอเลกโทรไลต เซลลอเลกโทรไลตประโยชนและการนำาไปใช เปนแหลงกำาเนดไฟฟาในรถยนต ในนาฬกาขอมอ เครองคดเลข เครอง

มอถายภาพ เครองโกนหนวด

แบบทดสอบท 17.1 1. กำาหนดรปแสดงโครงสรางของเซลลแหงชนดหนง ซงใชกนอยางกวางขวาง เปนเซลลไฟฟาเคมใชส ำาหรบใหความ

สวาง เครองคดเลข วทย ของเดกเลน เปนตน

จงตอบคำาถามตอไปนโดยใชรปภาพน

ก. เขยนสมการแสดงครงปฏกรยาทเกดขน (1) ภาชนะสงกะส (2) แทงคารบอน (แกรไฟต)ข. บอกทศทางของการเคลอนทของอเลกตรอนเมอตอครบวงจรค. อธบายผลของการไมมสารตอไปนในเซลลไฟฟาเคม (1) MnO2 (s) (2)

ผงคารบอน

ง. บอกขอแตกตางระหวางเซลลแหงกอนใชกบเซลลแหงชนดทใชแลว

2. จากสมการของปฏกรยารดอกซของเซลลไฟฟาเคมทกำาหนดให น จงระบสารใดเปนตวออกซไดส และสารใดเปนตวรดวซ

ก. ถานไฟฉาย ; Zn(s) + MnO2 (s) + 2NH4+ (aq) Zn2+

(aq) + Mn2O3 (s) + 2NH3 (g) + H2O (l)ข. เซลลอลคาไลน ; Zn(s) + 2MnO2 (s) Zn(OH)2 (s) +

Mn2O3 (s)ค. เซลลปรอท ; Zn (s) + HgO (s) ZnO (s) + Hg (l)ง. เซลลเงน ; Zn (s) + Ag2O (s) + H2O (l) Zn(OH)2 (s)

+ 2Ag (s)จ. เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว : Pb(s) + PbO2 (s)+4H+ (aq) + 2SO4

2-

(aq) 2PbSO4 (s) + 2H2O (l)ฉ. เซลลนกเกล- แคดเมยม : Cd (s) + NiO2 (s) + 2H2O (l) Cd

(OH)2 (s) + Ni(OH)2 (s)

3. เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกวถกใชในการแยกสารละลายกรดไฮโดรคลอรกในเซลลอเลกโทรไลต จงเขยนรปการตอ

เซลลทง 2 ใหระบขวแคโทด และแอโนดในแตละเซลล เขยนทศทางการไหลของกระแสอเลกตรอนในวงจร แสดง การเคลอนทของไอออนเขาหาขว และเขยนครงปฏกรยาทเกดขนทแตละขว

4. แบตเตอรทเปนเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกวเกยวของกบครงปฏกรยาแบบอกซเดชน ดงสมการน

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

PbSO4 (s) + 2H2O (l) PbO2 (s) + 4H+ (aq) + 2e-

4.1 ขอใดแสดงปฏกรยาสทธการจายไฟของแบตเตอรน1. 2PbSO4 (s) + 2H2O (l) Pb (s) + PbO2

(s) + 2SO42- (aq) + 4H+ (aq)

2. Pb(s) + 2H2O (l) PbO2 (s) + 4H+ (aq) + 4e-

3. PbO2 (s) + 4H+ (aq) + 4e- Pb(s) + 2H2O (l)

4. Pb(s) + PbO2 (s) + 2SO42- (aq)+4H+ (aq)

2PbSO4 (s) + 2H2O (l)

4.2 ขอความในขางลางขอใดถกตองเกยวกบแบตเตอรขณะจายไฟ1. ความหนาแนนของสารอเลกโทรไลตคงท2. ความหนาแนนของสารอเลกโทรไลตเพมขน3. ความหนาแนนของสารอเลกโทรไลตลดลง

5. เซลลเงน เปนเซลลแหงชนดเซลลปฐมภม เปนเซลลทเบา ราคาแพง ใชทนและใชไดนาน ปฏกรยาของเซลลคอ

Ag2O (s) + Zn (s) + H2O (l) Zn(OH)2 (s) + 2Ag (s) ถาเซลลนม Ag2O 23.2 กรม กบ Zn 13 กรม จะเกดโลหะ Ag หนกกกรม

( กำาหนดมวลอะตอมของ O = 16 , Zn = 65 , Ag = 108 )

6. ปฏกรยาครงเซลลแบบรดกชนทกำาหนดใหนเกดขนในเซลลนแคต1. Cd(OH)2 (s) + 2e- Cd (s) + 2OH- (aq)

, E0 = -0.81 V2. NiO2 (s) + 2H2O (l) + 2e- Ni(OH)2 (s) +

2OH- (aq) , E0 = +0.49 V

6.1. ……………………………………สมการของปฏกรยาขณะจายไฟคอ .6.2. ………………………………………สารอเลกโทรไลตทใชของเซลลคอ

6.3. ………ปฏกรยาของขณะจายไฟ ทแอโนดคอ .………………………… …………………………ท แคโทดคอ .. ……..………………………..6.4. คาศกยไฟฟาของเซลลมคาเทากบเทาใด ?

7. ปฏกรยาทเกดขนในถายไฟฉายZn (s) Zn2+ (aq) + 2e- และ

2NH4+ (aq) + 2MnO2 (s) + 2e- Mn2O3 (s)

+ 2NH3 (g) + H2O (l)จงตอบคำาถามตอไปน

7.1 สารทเปนตวรดวซและตวออกซไดสคอสารใด ตามลำาดบ

7.2 ขวแอโนดและแคโทดคอ ?

8. เปรยบเทยบเซลลปฐมภม และเซลลทตยภม พรอมทงยกตวอยางเซลลประกอบคำาอธบาย

9. เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว เกดปฏกรยาขณะจายไฟ ดงน

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

PbO2 (s) + 4H+ (aq) + SO42- (aq) + 2e-

PbSO4 (s) + 2H2O (l)จงตอบคำาถามตอไปน

9.1 บอกสวนประกอบของเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว เมอทำาหนาทจายไฟ9.2 เขยนสมการแสดงปฏกรยาทขวบวก และขวลบขณะอดไฟ

เฉลยแบบทดสอบท 17.1 ขอ 1.

ก. 1) ภาชนะ Zn ; Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e-

2) แทงคารบอน ; 2NH4+ (aq) + 2MnO2 (s) + 2e-

Mn2O3 (s) + 2NH3 (g) + H2O (l)ข. อเลกตรอนจะเคลอนทจากขวภาชนะ Zn ไปยงขวแทงคารบอนค. 1) ถาไมม MnO2 จะเกดกาซ H2 รวมตวกนเปนฉนวนชนบาง ๆ เกาะรอบแทง

คารบอน ทำาใหกระแส อเลกตรอนหยดไหล2NH4

+ (aq) + 2e- 2NH3 (g) + H2 (g)

แตถาม MnO2 จะพบวา MnO2 ออกซไดส H2 เปน H2O2) เนองจากผงคารบอนสามารถลดความตานทานภายในเซลลไดดงนน เมอไมมผงคารบอน จะ

ทำาให อเลกตรอนไหลนอยลงง. เปรยบเทยบความแตกตางระหวางเซลลแหงกอนใชและเซลลแหงหลงใชแลว

เซลลแหงกอนใช เซลลแหงหลงใช เหตผล

1. ความหนาแนน ของภาชนะ Zn

หนากวา บางกวา ใช Zn เปนขว เกดปฏกรยาออกซเดชน

2. สของสารเคมผสม

สดำา สเทา Mn2O3 (สขาว)ผสมกบ MnO2 (สดำา) เกดสารส

เทา

3. สารเคมแตละชนดในของผสม

MnO2 (s)Zn (s)NH4Cl (aq)

Mn2O3ZnCl2 (aq)NH3 (aq)

H2O

สารตงตนถกใชไปและสารผลตภณฑเกดขน

ขอ 2. เฉลย ขอ ตวรดวซ ตวออกซไดสกขคงจฉ

ZnZnZnZnPbCd

MnO2MnO2HgOAg2OPbO2NiO2

ขอ 3. แนวคด

เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว

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

ขว PbO2 ; PbO2 (s) + 4H+ (aq) + SO42- (aq) PbSO4

(aq) + 2H2O (l)

ปฏกรยาสทธ ; Pb(s) + PbO2 (s) + 4H+ (aq) + 2SO42- (aq)

2 PbSO4 (aq) + 2H2O (l)เซลลอเลกโทรไลต

ขว Pt ขวบวก ; 2Cl- (aq) Cl2 (g) + 2e-

ขว Pt ขวลบ ; 2H+ (aq) + 2e- H2 (g) ปฏกรยาสทธ ; 2Cl- (aq)+ 2H+ (aq) Cl2 (g) + H2 (g)

ขอ 4. แนวคด 4.1 ขอ 4 เพราะรวมสมการของปฏกรยาสทธไดเชนนน4.2 ขอ 3 เพราะใชกรด H2SO4 ไป และเกดนำาขน

ขอ 5 แนวคด Ag2O (s) + Zn (s) + H2O (l) Zn(OH)2 (s)

+ 2Ag (s)Ag2O 23.2 g = 23.2 / 232 = 0.1 molZn (s) 13 g = 13 / 65 = 0.2 mol

จากการวเคราะหพบวา Ag2O ถกใชหมดในทสด จงใช Ag2O เปนหลกในการเทยบหา โลหะ Ag ทเกดขนจากสมการดงน

จากสมการ Ag2O 1 โมล เกด Ag เทากบ 2 โมล Ag2O 0.1 โมล เกด Ag = 1

0.1 x108 x2 = 21.6 g

ขอ 6 แนวคด Cd (s) + 2OH- (aq) Cd(OH)2 (s) + 2e-

E0 = 0.81 VNiO2 (s) + 2H2O (l) + 2e- Ni(OH)2 (s) +

2OH- (aq) E0 = 0.49 V ปฏกรยาสทธ ; Cd (s) + NiO2 (s) Cd(OH)2 (s) + Ni(OH)2

(s) 0cellE = 0.81 + 0.49 = 1.3 V

6.1 Cd (s) + NiO2 (s) Cd(OH)2 (s) + Ni(OH)2 (s)6.2 KOH หรอ NaOH (เบส)6.3 การจายไฟ

แอโนด ; Cd (s) + 2OH- (aq) Cd(OH)2 (s) + 2e-

แคโทด ; NiO2 (s) + 2H2O (l) + 2e- Ni(OH)2 (s) + 2OH- (aq)6.4 0

cellE = 0.81 + 0.49 = 1.3 V

ขอ 7. แนวคด 7.1 Zn ถกออกซไดส และ MnO2 ถกรดวซ7.2 แอโนด คอ Zn และ แคโทด คอ แกรไฟต ( C ) ทม MnO2

ขอ 8. แนวคด เปรยบเทยบเซลลปฐมภม และทตยภม ดงน

เซลลปฐมภม เซลลทตยภม1. เปนเซลลกลวานกชนดหนง2. ใชไฟหมดแลวอดไฟกลบมาใชใหมไมได3. เปนเซลลเดยว

1. เปนเซลลกลวานกชนดหนง2. ใชไฟหมดแลวสามารถอดไฟกลบมาใช

ใหมได

3. ตอกนหลายเซลลเปนแบตเตอร

ขอ 9. แนวคด 9.1 การจายไฟ

1. ขว Pb เปนแอโนด หรอ ขวลบ

2. ขว PbO2 เปนแคโทด หรอ ขวบวก

9.2 การอดไฟ

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

ขวบวก ; PbSO4 (s) + 2H2O (l) PbO2 (s) + 4H+ (aq) + SO4

2- (aq) + 2e-

17.2 ประโยชนของเซลลอเลกโทรไลต เซลลอเลกโทรไลตเปนเซลลทเปลยนพลงงานไฟฟาเปนพลงงานเคม ซงสามารถอาศยหลกการนมาประยกตใช

ในอตสาหกรรมตาง ๆ ได เชน การชบโลหะ การทำาโลหะใหบรสทธ การถลงแยกแร การแยกสารละลายเกลอดวยกระแสไฟฟา

17.2.1 การชบโลหะดวยไฟฟา(Electroplating) การชบโลหะดวยไฟฟา คอ กระบวนการอเลกโทรลซสอยางหนงทอาศยพลงงานไฟฟาทำาใหไอออน

ของโลหะชนดหนง กลายเปนโลหะเคลอบ หรอ เกาะบนโลหะอกชนดหนง ซงโดยหลกการนสามารถนำาไปใชประโยชนใน ดานตาง ๆ เชน การปองกนการผกรอนของโลหะบางชนด การทำาใหโลหะมความสวยงามและคงทน ฯลฯ

หลกทวไปในการชบโลหะดวยไฟฟา

1. จดชนงานทจะชบตอเขากบขวแคโทด (ขวลบ)2. ตองการชบดวยโลหะใด ใหใชโลหะนนเปนแอโนด (ขวบวก)3. สารละลายอเลกโทรไลตตองมไอออนของโลหะทใชเปนขวแอโนด4. ตองใชไฟฟากระแสตรง และการกำาหนดศกยไฟฟาทเหมาะสมกจะทำาใหไดผลตภณฑทสวยงาม

ตวอยางเชน ตองการชบสรอยเงนใหเปนสรอยทอง นำาสรอยเงนตอเขากบขวแคโทด และใชโลหะ

ทองคำา ตอเขากบขวแอโนด โดยใชสารละลายทมไอออนของทอง เชน Au+ , Au3+ เปนสารละลายอเลก โทรไลต แลวตอเขากบแหลงกำาเนดไฟฟากระแสตรง โดยปรบคาศกยไฟฟาใหเหมาะสม กจะไดสรอยทองคำาททำาจาก

โลหะเงน

ตวอยางการชบชนงานทองแดงโดยใชไฟฟากระแสตรง

รปท 17.9 แสดงการชบชนงานดวยทองแดงโดยใชไฟฟากระแสตรง

จากภาพอธบายไดวา

1. ตอโลหะทองแดง (Cu ) เขากบขวแอโนด หรอขวบวก2. ตอชนงานทจะเคลอบเขากบขวแคโทด หรอขวลบของแบตเตอร

3. ใชสารละลาย Cu2+ เปนสารละลายอเลกโทรไลต เชน CuSO4(aq)4. ผานไฟฟากระแสตรงทมศกยไฟฟาทเหมาะสมลงไป

เมอผานไฟฟากระแสตรงลงไปในเซลลดงรป จะพบวา อเลกตรอนจากแบตเตอรจะเคลอนลงไปสขวแคโทด ทำาใหทขวนมปรมาณของอเลกตรอนมาก และ Cu2+ ซงเปนไอออนบวกกจะเคลอนทเขามารบอเลกตรอน เกด

ปฏกรยารดกชน กลายเปน โลหะทองแดง เกาะ / เคลอบอยบนชนงาน ขณะเดยวกนทขวแอโนดซงมโลหะทองแดงตอ

อยกจะเกดปฏกรยาออกซเดชนได Cu2+ ลงสสารละลายเพอชดเชยกบ Cu2+ ทลดลง ทำาใหความเขมขน

ของสารละลายอเลกโทรไลตคงท และอเลกตรอนทขวแอโนดไหลเขาไปทขวบวก(แคโทด) ของแบตเตอร ทำาใหกระแส ไฟฟาครบวงจร ปฏกรยาทเกดขนทขวแอโนด และแคโทด เปนดงน

ทขวแอโนด ; Cu (s) Cu2+ (aq) + 2e-

ทขวแคโทด ; Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s)

การชบโลหะใหผวเรยบและสวยงามนนขนอยกบปจจยตอไปน1. สารละลายอเลกโทรไลตตองมความเขมขนทเหมาะสม2. กระแสไฟฟาทใชตองปรบคาความตางศกยใหมความเหมาะสมตามชนดและขนาดของชนโลหะทตอง

ชบ3. โลหะทใชเปนแอโนดตองบรสทธ และถาไมบรสทธตองใชสารบางชนดเตมลงไปเพอทำาปฏกรยากบ

สารทเปนมลทนไมใหมาเกาะบนผวโลหะทนำามาชบ เชน ในทางอตสาหกรรมจะใสสารประกอบไซยาไนด เพอใหทำาปฏกรยากบโลหะทเปนมลทน โดยจะ เกดสารประกอบเชงซอน จงไมมารบกวนหรอเกาะบนโลหะท

ตองการชบ

4. ไมควรชบนานเกนไป ควรชบเพยง 2 -3 นาทเทานน

ตารางท 17.4 การชบโลหะดวยไฟฟาโลหะทตองการชบ แอโนด สารละลายอเลกโทรไลต การนำาไปใช

Cu Cu 20% CuSO4 , 7% H2SO4

การชบโลหะเพอความสวยงาม

Ag Ag 4% AgCN , 4% KCN , 4% K2CO3

ภาชนะตาง ๆ ทใชกบโตะอาหาร เครองเพชร พลอย

Au Cu , C , Ni -Cr

3% AuCN , 19 % KCN , K2HPO4 สารละลายบฟเฟอร

เครองเพชรพลอย

Cr Pb 25 % CrO3 , 0.25% H2SO4 ,

สวนตาง ๆ ในเครองยนต

30% NiSO4 , 2% NiCl2 , 1% H3BO3

Ni Ni 30 % NiSO4 , 2% NiCl2 , 1% H3BO3

แผนพนฐานโลหะ

Zn Zn 4% Zn(CN)2 , 5% NaCN , 8% NaOH , 5% Na2CO3

สงกะสมงหลงคา

Sn Sn 8% H2SO4 , 7% SnSO4

กระปองเคลอบดบก

จากตารางท 17.4 จะพบวาในกระบวนการชบโลหะดวยไฟฟา จะม CN- อยในสารละลายอเลกโทร ไลตทงนเพอใชทำาปฏกรยากบไอออนของโลหะเกดเปนสารประกอบเชงซอน ทำาใหความเขมขนของโลหะไอออนลดลง

เปนการปองกนไมใหไอออนบวกของโลหะเกดเปนโลหะเคลอบผวสารทตองการเรวเกนไป ซงจะทำาใหโลหะเคลอบได หยาบไมเรยบ หลดงาย

17.2.2 การทำาโลหะใหบรสทธดวยไฟฟา (Electrorefining) การทำาโลหะใหบรสทธ เปนขนตอนหนงในกระบวนการถลงแร โดยทวไป โลหะทถลงไดจากแรมกจะมมลทน

ปนอยเลกนอย เพอทำาใหโลหะนบรสทธมากขนจะใชกรบวนการอเลกโทรลซส ทเรยกวา Electrorefining ซงมหลกการดงน

1. นำาโลหะทจะทำาใหบรสทธตอเขากบขวแอโนด (ขวบวก)2. ใชโลหะบรสทธอกแทงหนงตอเขากบขวแคโทด (ขวลบ)3. ในสารละลายอเลกโตรไลตตองมไอออนบวกของโลหะทตองการทำาใหบรสทธประกอบอยดวย4. ตอเขากบแหลงกำาเนดไฟฟากระแสตรง และจดใหมศกยไฟฟาของเซลลทเหมาะสม

ตวอยางการทำาโลหะทองแดงทไดจากการถลงแรคาลโคไพไรด (CuFeS2) ใหบรสทธดวยไฟฟา

รปท 17.10 การทำาโลหะทองแดงใหบรสทธดวยวธการอเลกโทรลซส

การถลงแรทองแดงชอวา คาลโคไพไรด (CuFeS2) จะไดโลหะทองแดงทบรสทธ 99 % เทานน ถาตองการทำาใหบรสทธขนอกตองนำาโลหะทองแดงทไดนไปผานกระบวนการอเลกโทรลซส แยกมลทนใน

ทองแดงออก

มลทนทพบในโลหะทองแดงม 2 ชนด คอ

1. โลหะทถกออกซไดสงาย ( พวกนมคา E0 ตำา ) เชน Zn , Fe2. โลหะทถกออกซไดซยาก ( พวกนมคา E0 สง ) เชน Pt , Au , Ag

การจดเครองมอดงรป 17.10 ตอ Cu ทไมบรสทธเขากบขวแอโนด และ Cu บรสทธเขากบ ขวแคโทด จมขวทงสองในสารละลายอเลกโทรไลต CuSO4 ผสมกบ H2SO4 แลวตอใหครบวงจรกบ แบตเตอร ผานไฟฟากระแสตรงทมศกยพอเหมาะลงไป จะพบวาเกดปฏกรยาขนทขวแอโนด และแคโทดดงน

ขวแคโทด ; Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s)ขวแอโนด ; เปนขวทตอกบ Cu ไมบรสทธ จะเกดปฏกรยาออกซเดชนขน โดยโลหะ Cu และ

พวกทเปนมลทน เชน Zn , Fe ( มคา E0 ตำา ) จะใหอเลกตรอนและเกดเปนไอออนบวก คอ Cu2+ , Zn2+ , และ Fe2+ สวนพวกมลทนทม E0 สง เชน Ag , Pt , Au

จะใหอเลกตรอนยาก จะตกเปนตะกอนลงทแอโนด เรยกตะกอนของโลหะพวกนวา Anode mud Cu (s) Cu2+ (aq) + 2e-

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

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

ไอออนบวกของโลหะทเกดจากแอโนดในสารละลาย คอ Zn2+ (E0 = -0.76 V) , Fe2+ (E0 = -0.41 V) ซงมคา E0 ตำากวา Cu2+ (E0 = +0.34 V) ดง

นนจงพบวา Cu2+ จะเขาไปรบอเลกตรอนและเกดปฏกรยารดกชนเปนโลหะ Cu ทแคโทดไดดกวา Zn2+

, และ Fe2+ ซงรบอเลกตรอนยากกวาและมโอกาสเกดเปนโลหะทแคโทดไดนอย จงทำาใหโลหะทองแดงทแยก

ไดทขวแคโทด มความบรสทธ 99.95 % H2SO4 ทเตมลงไปจะมหนาทไปกดกรอนให Cu , Zn และ Fe เสยอเลกตรอนเกดเปน

ไอออนเรวและงายขน

รปท 17.11 แสดงเซลลอเลกโทรไลตทใชสำาหรบการทำาโลหะทองแดงใหบรสทธในอตสาหกรรมก. กอนการเกดอเลกโทนลซสข. หลงการเกดอเลกโทรลซสค. เซลลอเลกโทรไลตในอตสาหกรรมสำาหรบการทำาโลหะทองแดงใหบรสทธดวยไฟฟา

17.2.3 การทำาอเลกโทรลซสในการผลตโลหะก. การผลตโลหะอลมเนยม ในป ค.ศ. 1886 Charles Martin เปนนกศกษาทวทยาลย

Oberlin ใน Ohio ประเทศสหรฐฯ ไดประดษฐ เครองมอเพอใชในการทำาอเลกโทรลซสสำาหรบผลต

อะลมเนยม และในขณะเดยวกน Paul Heroult ทประเทศฝรงเศสกคนพบวธการททนสมยในการผลตอะลมเนยมดวยการอเลกโทรลซสในหองปฏบตการทปารส

ขนตอนการผลตโลหะอลมเนยมสามารถสรปไดดงน

1. กระบวนการทำาแรบอกไซดใหบรสทธ เรยก กระบวนการเบเยอร โดยใชแรบอกไซด (Al2O3) ทมมลทนปน คอ Fe2O3 และ TiO2 จงตองแยกมลทนออกกอน และเนองจาก Al2O3 เปนสารแอมเฟอเทอรก (เปนกรดและเบส) จงนำาแรบอกไซดทมมลทนอยดวยไปละลายในสารละลาย NaOH จะพบวา Al2O3 ละลายใน NaOH แตมลทนเปนออกไซดทมสมบตเปนเบส ไมละลายใน NaOH แลวกรองตะกอนทเปนมลทนออก ดงน

Al2O3 (s) + 2OH- (aq) + 3H2O(l) 2[Al(OH)4]- (aq)

สารละลายทไดเจอจางดวยนำาแลวเตมกรดใหเกด Al(OH)3 ตกตะกอนดงน[Al(OH)4]- (aq) + H3O+ (aq) Al(OH)3 (s) +

3H2O(l) กรองตะกอน Al(OH)3 เผาจะได Al2O3 บรสทธ คอ

2 Al(OH)3 (s) Al2O3 (s) + 3H2O (g)

2. กระบวนการผลต Al จากแรบอกไซด(Al2O3 ) เรยกวาการถลง Al จากแร บอกไซด หรอ Hall - Heroult Process Al2O3 มจดหลอมเหลวสงมาก (2020

0C) และ Al2O3 หลอมเหลวจะนำาไฟฟานอย การอเลกโทรลซส Al2O3 หลอมเหลวจงไมเกดขน ดงนน

จงละลาย Al2O3 15% โดยมวลในสนแรไครโอไลต (Na3AlF6) เหลวทอณหภมประมาณ 1000 0C จะไดสารละลายทนำาไฟฟาไดด จากนนกนำาสารละลาย Al2O3 ในแรไครโอไลตเหลวไปแยก

ดวยไฟฟาในเซลลอเลกโทรไลต ทอณหภม 950 0C ( ซงตำากวาจดหลอมเหลวของ Al2O3 ) ไดโลหะ Al ทมความบรสทธ 99.0 - 99.8 % ปฏกรยาทเกดขนทขวไฟฟาแอโนด และแคโทดเปนดงน

ทแคโทด ; Al3+ + 3e- Al (s) ทแอโนด ; 2O2- O2 (g) + 4e-

ปฏกรยาสทธ ; 4Al3+ + 6O2- 4Al (l) + 3O2 (g)

รปท 17.12 เซลลอเลกโทรไลตใชสำาหรบผลตอะลมเนยม โดยใชขวแกรไฟต ( C ) ดวยสารละลาย Al2O3 ในแรไคโอไลต

เนองจากการผลต Al โดยการอเลกโทรลซส ตองใชพลงงานสงมากประมาณ 15,000 KWh ตอ Al 1 ตน จงมคาใชจายสง ดงนนจงนยมนำาโลหะอะลมเนยมทใชแลวกลบมาใชใหมมากกวาทจะใชวธการอ

เลกโทรลซสจากแรบอกไซด

ข. การผลตโลหะแมกนเซยม

โลหะแมกนเซยม เปนโลหะทมนำาหนกเบา มความหนาแนนตำา (1.74 g/cm3 ) แขงแรง ทนทาน ใชประโยชนในการทำาโลหะผสม เชน ผสมกบโลหะอะลมเนยมสำาหรบทำาปกเครองบน ใชทำาไสหลอดไฟแฟลช

เพอใชในการถายรป

แหลงทพบโลหะแมกนเซยม เกดจากแรคารบอเนต และเกลอในนำาทะเล โดยในนำาทะเลพบวาม Mg อย 0.13%

ขนตอนการผลตโลหะแมกนเซยม

รปท 17.13 แผนภาพแสดงขนตอนตาง ๆ ในอตสาหกรรมการผลตแมกนเซยมจาก Mg2+ ไอออนจากนำาทะเล

เมอนำานำาทะเลมาเตมเบส (Ca(OH)2 ) จะพบวา Mg2+ ในนำาทะเลจะตกตะกอนอยในรป Mg(OH)2 ดงน

Ca(OH)2 (s) + Mg2+ (aq) Ca2+ (aq) + Mg(OH)2 (s)

แลวลางตะกอน Mg(OH)2 (s) ออกนำาไปทำาปฏกรยาสะเทนกบกรด HCl จากนนระเหยนำา ออกจะไดของแหง MgCl2 ทำาให MgCl2 หลอมเหลวแลวผานไฟฟากระแสตรงลงไปในเซลล ภายใต

บรรยากาศของกาซเฉอยจะได Mg เหลวออกมา พรอมกบกาซ Cl2 ปฏกรยาทเกดขนเปนดงน

Mg(OH)2 (s) + 2[ H+ (aq) + Cl- (aq) ] Mg2+

(aq) + 2Cl- (aq) + 2H2OMg2+ (aq) + 2Cl- (aq) + 2H2O กระเหยนำาออ MgCl2

(s)MgCl2 (s) หลอมเหลว MgCl2 (l)MgCl2 (l) ซสอเลกโทรล Mg (s) + Cl2 (g)

รปท 17.14 เซลลอเลกโทรไลตสำาหรบการแยก MgCl2 ทหลอมเหลวดวยไฟฟา โลหะ Mg จะเกดท แคโทดลอยอยบน MgCl2 ทเหลว และถกแยกออกเปนระยะ ๆ สวนกาซ Cl2 เกดรอบ ๆ แกรไฟต ซงเปน

แอโนด ผานทอเลก ๆ แยกออกไป

ปฏกรยาทเกดขนสามารถแสดงไดดงน

ทขวแอโนด (แกรไฟต) ; 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-

ทขวแคโทด ; Mg2+ (l) + 2e- Mg (s)ปฏกรยาสทธ ; Mg2+ (l) + 2Cl- (l) Mg (s) + Cl2

(g) ในอตสาหกรรมการผลตโลหะแมกนเซยม แมกนเซยม 1 กโลกรม ตองใชพลงงาน 300 MJ ดง

นนจงตองมคาใชจายสง จงนยมนำาโลหะแมกนเซยมทใชแลวกลบมาใชใหมมากกวา เพราะประหยดพลงงานและ คาใช

จายไดมากกวา ( แมกนเซยมทนำากลบมาใชใหม 1 กโลกรมใชพลงงานเพยง 7 MJ )

ค. การผลตโลหะโซเดยมโลหะโซเดยมมจดหลอมเหลว( 97.8 0 C) และความหนาแนนตำา (0.97

g/cm3) มความวองไวทางเคมสง ปจจบนใชโซเดยมสำาหรบเปนสารหลอเยนในเครองปฏกรณปรมาณ และใช

เปนตวรดวซในการเตรยมโลหะไททาเนยม (Ti) และโซเดยมเปอรออกไซด นอกจากนนยงใชไอของโซเดยมบรรจในหลอดไฟเพอใหเปนไฟสเหลอง

ในป ค.ศ. 1807 Sir Humphrey Davy เปนคนแรกทแยก Na จากการอเลกโทรลซส NaOH ตอมาในป ค.ศ. 1833 Faraday และคณะไดแยก Na จากการอเลกโทรลซส NaCl หลอมเหลว แตอยางไรกตามวธการนไมใชในการผลตโลหะโซเดยมใน

อตสาหกรรม จนกระทงป ค.ศ. 1921 จงมการผลตโลหะโซเดยมในอตสาหกรรมโดยใช Down cell โดย Du Pont Chemical Company

อตสาหกรรมการผลตโซเดยม

เมอผานกระแสไฟฟาลงไปใน NaCl ทหลอมเหลว จะเกดปฏกรยาขนดงน

ทขวแอโนด ; 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-

ทขวแคโทด ; 2Na + (l) + 2e- 2Na (l) ปฏกรยาสทธ ; 2Na+ (l) + 2Cl- (l) 2Na (l) + Cl2 (l)

รปท 17.15 แสดงแรงดงดดระหวางประจตรงกนขามทเกดจาก Na+ ไอออนเคลอนเขาหาขวลบ (แคโทด)

และ Cl- ไอออนเคลอนเขาหาขวบวก (แอโนด)ก. Na+ เคลอนเขาไปรบอเลกตรอนกลายเปนอะตอม Na ทเปนกลางทขวแคโทดข. Cl- เคลอนทเขาไปใหอเลกตรอนแลวกลายเปนอะตอม Cl ทเปนกลาง แลวรวมตวกน

เปนโมเลกล Cl2 ของกาซทแอโนด (ขวบวก)

รปท 17.16 Downs cell สำาหรบผลต Na และ Cl2 จาก NaCl หลอมเหลวดวยกระบวนการอเลกโทรลซส

แบบทดสอบท 17.2

ขอ 1 NaCl มจดหลอมเหลว 801 องศาเซลเซยส สงกวาของ NaOH ทม จดหลอมเหลว 322 องศาเซลเซยส ในการเตรยม Na จากการอเลกโทรลซส NaCl ทหลอมเหลวใช

พลงงานมากกวา NaOH หลอมเหลว แตทำาไมในอตสหกรรมเตรยม Na จงนยมทำาการอเลกโทรลซส NaCl หลอมเหลวมากกวาการใช NaOH หลอมเหลว จงอธบายและใชเหตผลประกอบ

ขอ 2 การอเลกโทรลซสสารละลาย MgCl2 เขมขน 0.22 โมลตอลตร จำานวน 2.5 dm3 เกดกาซ H2 จำานวน 104 cm3 ท 23 0 C ความดน 727 mmHg จะ

เกดตะกอน Mg(OH)2 ขนหนกกกรมในกระบวนการทเกดขนน

ขอ 3 การอเลกโทรลซส NaCl หลอมเหลวใน Downs cell ในเวลา 10 ชวโมง เกดกาซคลอรน 3.55 x 108 dm3 ท STP อยากทราบวาตองใช NaCl หนกเทาไร และจะ

เกดโลหะ Na ทงสนเทาไร สมมตวา NaCl ทใชบรสทธ มวลอะตอมของ Na = 23 , Cl = 35.5

ขอ 4 . จงเขยนรปภาพแสดงอปกรณการชบตะปเหลกดวยโครเมยม พรอมทงระบสวนตาง ๆ ท จำาเปนทตองใชในการชบนดวย และเขยนสมการแสดงปฏกรยาทแอโนดและแคโทด

ขอ 5. การเตรยมธาตบางชนด โดยการอเลกโทรลซสสารประกอบหรอแรดวยไฟฟา จงเตมขอความลงในชองวางในตารางนใหสมบรณ

ธาต สารประกอบแร ปฏกรยาทเกดขนทขว

AlMgNa

ขอ 6. กำาหนดรปแสดงการอเลกโทรลซสตาง ๆ ดงน

A คอ คารบอน (แกรไฟต)X , Y , Z คอ โลหะใด ๆ

6.1 …………………………การทำาโลหะใหบรสทธ คอ รป ..6.2 …………………………การเตรยมโลหะจากสารประกอบ คอ รป

6.3 …………………………การชบโลหะ คอ รป ..6.4 ……………………………การแยกนำาดวยไฟฟา คอ รป ..

เฉลยแบบทดสอบท 17.2 ขอ 1 แนวคด

NaCl มจดหลอมเหลว 801 0C และ NaOH มจดหลอมเหลว 327 0

C จะเหนไดวาจดหลอมเหลวของ NaCl สงกวา NaOH แตในการเตรยมโลหะ Na จากการอเลก โทรลซสกลบใช NaCl ไมใช NaOH ทง ๆ ทใช NaCl เตรยมตองใชพลงงานมากกวา ทเปนเชนนก

เพราะการอเลกโทรลซส NaOH หลอมเหลวดวยไฟฟาจะเกดปฏกรยาดงน NaOH (l) Na+ (l) + OH- (l)

แอโนด ; 4OH- (l) O2 (g) + 2H2O (l) + 4e-

แคโทด ; 4Na+ + 4e- 4Na (s) จากสมการของปฏกรยาทแอโนด จะพบวาเกด H2O ซงจะทำาปฏกรยารนแรงกบ Na ท

แคโทด อาจจะระเบดเปนอนตรายได

สวนการอเลกโทรลซส NaCl หลอมเหลวดวยไฟฟา เกดปฏกรยาดงน

แอโนด ; 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-

แคโทด ; 2Na+ (l) + 2e- 2 Na (s) จากสมการจะเหนวาไมเกดนำา ทแอโนด ดงนนจงไมเกดปฏกรยารนแรงกบ Na แทแคโทด

จงสรปไดวาการเตรยมโซเดยมในอตสาหกรรมจงนยมใชการแยก NaCl ทหลอมเหลวดวยไฟฟา

ขอ 2. เกดตะกอนของ Mg(OH)2 = 0.2343 g ขอ 3. เกดโลหะโซเดยม = 7.29 x 108

g ขอ 4.

ขอ 5.

ธาต สารประกอบแร ปฏกรยาทเกดขนทขว

Al

Mg

Na

แรบอกไซด (Al2O3)

แมกนเซยมคลอไรด (MgCl2) จากนำาทะเล

โซเดยมคลอไรดจากนำาทะเล

แอโนด2O2-(l) O2(g) + 4e-

แคโทด Al3+ (l) + 3e- Al (l)

แอโนด 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-

แคโทด Mg2+ (l) + 2e- Mg (s)

แอโนด 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-

แคโทด 2Na+ (l) + 2e- 2Na (l)

ขอ 6. 6.1 การทำาโลหะใหบรสทธ คอ รป 36.2 การเตรยมโลหะจากสารประกอบ คอ รป 16.3 การชบโลหะ คอ รป 56.4 การแยกนำาดวยไฟฟา คอ รป 4

17.3. การผกรอนของโลหะและการปองกนการผกรอนของโลหะ คอ กระบวนการของปฏกรยารดอกซทเกดจากโลหะถกออกซไดสเปนสารประกอบใน

ภาวะแวดลอมตาง ๆ กน เชน การเกดสนม (Iron rust Fe2O3 .nH2O) โลหะเงนเกดความ หมอง (Tranished silver , Ag2S) การเกดสารสเขยว (Green patina

CuCO3 ) เคลอบบนโลหะทองแดง ทองเหลอง ทองบรอนซลกษณะสำาคญของการผกรอนของโลหะ

1. การผกรอนของโลหะเกดจากปฏกรยารดอกซโดยโลหะใหอเลกตรอนเกดปฏกรยาออกซเดชน สวนสารอน ทรบอเลกตรอนจะเกดปฏกรยารดกชน หรอเปนตวออกซไดซ

2. เหลกทำาปฏกรยากบกาซออกซเจน และนำา เกดออกไซด Fe2O3 เรยกวา การเกดสนมเหลก (Rust)

3. สนมของโลหะตางชนดกนจะเกดสตางกน เชน สนมเหลก Fe2O3 มสนำาตาล สนมทองแดง CuO มสดำา หรอสนำาตาลดำา สวนสนมอลมเนยมคอ Al2O3 มสขาว

4. สนมของโลหะมกเกดในรปของออกซได เชน Fe2O3 , Al2O3 , CuO5. โลหะทผกรอนงาย ไดแก โลหะทมคา E0 ตำา เชน โลหะอลคาไลน ( หม1A) และโลหะอลคา ไลนเอรท ( หม 2A)

6. ปจจยทจะทำาใหโลหะทวไปผกรอนสรปไดดงน6.1 โลหะจมในกรด ( ยกเวนโลหะมตระกล Au , Ag , Pt) จะผกรอนเกดการ

ไฮโดรเจน เชน

Mg (s) + 2H+ (aq) Mg2+ (aq) + H2 (g)6.2 โลหะจมอยอยในไอออนบวกของโลหะทมคา E0 สงกวา จะเกดการผกรอนได เชน

โลหะเห, กจะเกดการผกรอนไดเมอจมอยในสารละลาย Cu2+ (aq) ซงเกดปฏกรยาขนดงนFe (s) + Cu2+(aq) Fe2+ (aq) + Cu (s)

6.3 โลหะทำาปฏกรยากบ O2 และนำาพรอมกนจะเกดออกไซด เรยกกระบวนการนวา การเกดสนม

การศกษาการผกรอนของโลหะเหลก

1. เหลกจะเปนสนมอยางชา ๆ เมอสมผสกบอากาศแหง เพราะอะตอมของเหลกทผวหนาจะทำาปฏกรยา อยางชา ๆ กบกาซออกซเจนในบรรยากาศ เกดออกไซดของเหลกหลายชนดปนกน ดงน

2Fe (s) + O2 (g) 2FeO (s)4Fe (s) + 3O2 (g) 2Fe2O3 (s)3Fe (s) + 2O2 (g) Fe3O4 (s)

โลหะทเกดสนมขนจะเกดรจำานวนมากทผวของโลหะ ทำาใหอะตอมของออกซเจนและนำาสามารถเขาไปทำา ปฏกรยากบโลหะ ทำาใหเกดกระบวนการผกรอนตอ ๆ ไป

2.เหลกจมในสารละลายกรดเกดปฏกรยาการผกรอน ไดไอออนของเหลกและกาซไฮโดรเจน ดงน

Fe (s) + 2H+ (aq) Fe2+ (aq) + H2 (g) 2Fe (s) + 6H+ (aq) 2Fe3+ (aq) + 3 H2

(g) ถาม O2 อยดวย Fe2+ จะถกออกซไดซเปน Fe3+ ไอออนดงน

4Fe2+ (aq) + O2 (g) + 4H+ (aq) 4Fe3+

(aq) + 2 H2O (l )ทกปฏกรยาขางตนนสามารถเกดขนไดเองตามธรรมชาต

3. เหลกจะไมเปนสนมเมอสมผสกบนำาทไมมออกซเจนละลายอย

4. เหลกจะเปนสนม เมอสมผสกบนำาทมออกซเจนละลายนำา ไดดกวาการสมผสกบอากาศแหง ๆ ท ปราศจากนำา

เมอโลหะเหลกอยในนำาทมกาซออกซเจนละลายอยจะเกดปฏกรยารดอกซเกดขนดงน ปฏกรยาออกซเดชน

Fe (s) Fe2+ (aq) + 2e-ปฏกรยารดกชน

O2 (g) + 2H2O (l) + 2e- 4OH- (aq) ปฏกรยาสทธ ;

2Fe (s) + O2 (g) + 2H2O(l) 2Fe2+(aq)+4OH-(aq)

Fe2+ และ OH- ทเกดขนจะรวมตวกนเกดเปนตะกอน Fe(OH)2 แลวถกออกซ ไดสดวย H2O และ O2 เปนสนมในทสด

4Fe(OH)2 (s) + O2 (g) + 2H2O (l) 4Fe (OH)3 (s)

2Fe (OH)3 (s) Fe2O3 . H2O (s) + 2H2O (l) สนมเหลก

รปท 17.17 เมอโลหะ Fe ถกจมอยในนำาทม O2 ละลายอย ออกซเดชนของ Fe และรดกชนของ O2 สามารถเกดขนทจดตางกนบนผวโลหะ ผลสทธจะเกด Fe2+ และ

OH- แลวแพรเขามารวมกน เกดสารเชงซอนทถกออกซไดสเปนสนม Fe2O3 . H2O (s)

5. เหลกจะเกดสนมเรวขนเมอสมผสกบโลหะทองแดง อธบายไดในรปเซลลกลวานกทจด 2 จดโลหะ เหลกสมผสกบโลหะทองแดง โดยโลหะเหลกทำา

หนาทแอโนดใหอเลกตรอนเกด Fe2+ ไอออน แอโนด ; Fe (s) Fe2+ (aq) + 2e- E0 = 0.409

V แคโทด ; O2 (g) + 2H2O (l) + 2e- 4OH- (aq) E0 =

0.401 VFe2+ ไอออนทเกดขนทแอโนดแพรมารวมตวกบ OH- ไอออนทแคโทดเกดตะกอนแลวถกออกซไดซ

ไปเปนสนมเหลกในทสด เรยกกระบวนการนวา galvanic corrosions เพราะปฏกรยาสทธคลายปฏกรยาทเกดขนในเซลลกลวานก

รปท 17.18 เมอโลหะเหลกสมผสกบโลหะทองแดงโดยมหยดนำาทม O2 ละลายอย อธบายในรปเซลลกลวา

นก Fe ถกออกซไดซเปน Fe2+ ไอออน เกดอเลกตรอนถายเทไปยงโลหะทองแดงซง O2 ในนำาถกรดวซไป เปน OH- ไอออน

โลหะทองแดงจะไมผกรอนเมอสมผสกบเหลก เพราะวาทองแดงเปนตวรดวซออนกวาเหลก ถาเซลลกลวานก ประกอบดวยโลหะทองแดงเปนแอโนด เกดปฏกรยาออกซเดชนจะพบวาอเลกตรอนไหลไปยงโลหะเหลกทเปนแคโทด

โดยม O2 ละลายอยในนำา และกาซ O2 ถกรดวซ แอโนด ; Cu (s) Cu2+ (aq) + 2e- E0 = -

0.34 V แคโทด ; O2 (g) + 2H2O (l) + 2e- 4OH- (aq) E0 =

0.401 V ศกยไฟฟาสทธของปฏกรยานมคานอยกวา ศกยไฟฟาสทธของปฏกรยาทเกดเหลกเปนแอโนด

Cu (s) + O2 (g) + 2H2O (l) Cu2+ (aq) + 4OH-

(aq) 0cellE = 0.061 V

Fe (s) + O2 (g) + 2H2O (l) Fe2+ (aq) + 4OH- (aq) 0cellE = 0.810 V

ดงนน เหลกจงผกรอนงายกวาทองแดง

6. เหลกจะไมเปนสนมเมอสมผสกบโลหะสงกะส หรอแมกนเซยม

โลหะทเปนตวรดวซทดกวาเหลก( คอ โลหะทม E0 ตำากวา เชน Zn , Mg ) สมผส กบเหลกจะสามารถปองกนการผกรอนไดดงรป 17.19 กระบวนการนเรยกวา Cathodic

protection ซงสามารถอธบายในรปเซลลกลวานก คอ โลหะเหลกเปนแคโทด สวนโลหะสงกะสหรอ แมกนเซยมจะเปนแอโนด เกดปฏกรยาดงน

แอโนด ; Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e- E0 = 0.763 V

แคโทด ; O2 (g) + 2H2O (l) + 2e- 4OH- (aq) E0 = 0.401 V

ปฏกรยารวม ; Zn (s) + O2 (g) + 2H2O (l) Zn2+ (aq) + 4OH- (aq) , 0

cellE = 1.164 V ศกยไฟฟาสทธสำาหรบปฏกรยานมคามากกวาศกยไฟฟาสทธ สำาหรบปฏกรยาทมเหลกเปนแอโนด ดงนนโลหะสงกะสจะผกรอนแทนเหลก โดยหลกการนไดนำามาใชทำาสงกะสมงหลงคา กลาวคอใชโลหะสงกะสเคลอบแผน

เหลกเพอปองกนการผกรอนของแผนเหลก

รปท 17.19 การผกรอนของเหลกสามารถปองกนโดยวธCathodic protection

การทดลองศกษาภาวะททำาใหเหลกเกดการผกรอน

การทดลองดงรป 17.20 แสดงภาวะททำาใหเหลกเปนสนม

รปท 17.20 ภาวะทจะทำาใหเหลกเปนสนม จากรป17.20 การทดลองภาวะททำาใหเหลกเปนสนม สรปไดวา

1. เหลกเปนสนมตองใช O2 และ H2O2. เหลกจะเปนสนมเรวขนเมออยในนำาทมเกลอละลายแตกตวเปนไอออนอย3. เหลกจะเปนสนมเรวขนเมออยในสารละลายกรดเลกนอย4. เหลกจะไมเปนสนมเมอสมผสกบโลหะสงกะส

การทดสอบการผกรอนของเหลก

การเกดสนม เปนการผกรอนของเหลกอยางหนง ขนตอนระหวางการผกรอนจะเกด OH- และ Fe2+

ขนกอน แลวจงถกออกซไดสไปเปนสนมเหลก Fe2O3.nH2O ดงนน การทดสอบการผกรอนของเหลกจง

ควรตรวจหา OH- และFe2+ ซงมวธตรวจสอบดงน1. การตรวจหา OH- นำาสารทจะทดสอบมาหยดฟนอลฟทาลน ถาไดสชมพแสดงวา สารนนม

OH- 2. การตรวจหา Fe2+ นำาสารทจะทดสอบมาเตมโพแทสเซยมเฮกซะไซยาโนเฟอเรต (III)

K3[Fe(CN)6] แลวเกดตะกอนสนำาเงนของโพแทสเซยมไอรออน (II) เฮกซะไซยาโนเฟอเรต (III) KFe[Fe(CN)6] ดงสมการ

Fe2+ (aq) + K+ (aq) + [Fe(CN)6]3- (aq) KFe[Fe(CN)6] ตะกอนสนำาเงน

การทดลองการผกรอนของเหลก

การทดลองดงรป 17.21 แสดงการผกรอนของเหลก

รปท 17.21 แสดงการทดสอบการผกรอนของเหลก การทดลองในรปท 17.21 ใชสารละลายวน สารละลายนทำาใหรอนแลวเมอเยนลงจะแขงตว สารละลายน

มสาร 2 ชนดผสมอย ดงน

1. โพแทสเซยมเฮกซะไซยาโนเฟอเรต (III) K3[Fe(CN)6] จะเกดตะกอนสนำาเงนขนเมอม Fe2+ อย สารนใชทดสอบ Fe2+

2. ฟนอลฟทาลนเปนอนดเคเตอร จะเกดสารสชมพขนเมอรวมตวกบ OH- ขงใชสารนทดสอบ OH-

วธทดลอง

เทสารละลายวนทมฟนอลฟทาลนและ K3[Fe(CN)6] อยดวย ลงในชามกระเบองทมตะปชนดตาง ๆ ดงรป17.21 เมอเยนลงวนจะแขงตวทงไว 1 -2 วน บนทกผลการทดลอง

รปท 17.22 ผลการทดลองการผกรอนของเหลก

จากผลการทดลองในรป 17.22 สรปไดวา 1. ตะปเหลกทกตวเกดไอรออน (II) ไอออน , Fe2+ และ ไฮดรอกไซดไอออน (OH-)

ยกเวนตะปเหลกทพนดวยแมกนเซยมและสงกะส

2. เมอตะปเหลกพนกบแมกนเซยมและพนสงกะสจะเกด OH- ไอออนไมเกด Fe2+ ไอออน แตจะเกด Mg2+ และ Zn2+ แสดงวา Mg และ Zn ผกรอน

3. ไอรออน (II) ไอออนเกดไดงายขน เมอ หรอเหลกผกรอนไดงายขนเมอ3.1 บรเวณทผวของเหลกแตกหรอหกออก

3.2 เมอเหลกสมผสกบโลหะทมคา E0 สงกวา เชน Cu

การทดลองแสดงธรรมชาตการเกดสนมของเหลกในรปไฟฟาเคม

รปท 17.23 แสดงธรรมชาตของการเกดสนมเหลกการปองกนการผกรอนของโลหะ

1. ทาส ทานำามน หรอทาสารกนสนม

2. ฉาบหรอเคลอบโลหะทสามารถเกดสารเคลอบผวสลายตวยาก เสถยร เชน Al , Sn , และ Cr โดย Al เมอเกดออกไซดจะเคลอบผวโลหะไว ซงเสถยรและสลายตวยาก วธการลกษณะ

นเรยกวา วธอะโนไดซ3. ทำาเปนโลหะผสม เชน การทำาเหลกกลาไรสนม โดยการนำาเหลกไปผสมกบโลหะโครเมยม นกเกล

และ คารบอนในสดสวนทเหมาะสม

4. วธแคโทดก โดยการตอโลหะใหสมผสกบโลหะทมคา E0 ตำากวา (หรอโลหะทเปนตวรดวซทด)

รปท 17.24 Cathodic protection โลหะเหลกสมผสกบโลหะทมความ วองไวทางเคมมาก (E0 ตำา) เชน Zn โลหะนจะเกดปฏกรยาออกซเดชนจงผกรอนแทน

Fe สวน Fe เกดปฏกรยารดกชนโดยมนำา และออกซเจนรบอเลกตรอน ดงนน Fe จงไมผกรอน

รปท 17.25 ทอเหลกผกตดกบโลหะแมกนเซยม (E0 ตำากวา) เปนแอโนด เกดปฏกรยา ออกซเดชน โดยใหอเลกตรอนแทนทอเหลก ดงนน ทอเหลกจงไมผกรอนแตแมกนเซยมผกรอน

17.3.1 การปองกนการผกรอนดวยวธอะโนไดซและรมดำา โลหะบางชนดมสมบตพเศษ คอ ทำาปฏกรยากบออกซเจนเกดออกไซดของโลหะ (สนมของโลหะ) ออกไซดน

จะแผเปนฟลมบาง ๆ เคลอบบนผวโลหะ มความเสถยรและไมละลายนำา จงปองกนไมใหเกดการผกรอนอกตอไป เพราะ ออกซเจนและนำา หรอสารตาง ๆ ไมสามารถซมผานเขาไปได โลหะทมสมบตดงกลาว ไดแก Al , Sn ,

Cr , Zn เนองจากในธรรมชาตการเกดออกไซดของโลหะเกดชาไมสมำาเสมอ จงตองใชวธการอะโนไดซ เพอทำาใหเกดออกไซดของโลหะเคลอบเรวและสมำาเสมอ

การทำาอะโนไดซโลหะอลมเนยม

ใชกระบวนการอเลกโทรลซสสารละลายกรดโดยใช Al เปนขว ม 3 ขนตอนดงนขนท 1 การเตรยมชนงาน Al ทจะอะโนไดซ

1. การเตรยมสารละลายสำาหรบลางไขมน เปนสารละลายผสมทเตรยมจากการใชโซเดยม

ฟอสเฟต 5 g และโซเดยมซลเกต 1.5 g ละลายนำาใหเปนสารละลาย 1 dm3

2. แชชนงาน Al ลงในสารละลายสำาหรบลางไขมนท90 - 95 0C เปนเวลา 3 นาท แลวนำาชนงานลางนำาใหสะอาด

3. ขดชนงาน Al ใหสะอาดดวยกระดาษทราย แลวนำาไปแชในสารละลาย NaOH เขมขน 2.5 mol/dm3 เปนเวลา 2 นาท ถาชนงาน Al ดำาใหใชสำาลเชดออก

แลวลางนำาใหสะอาด

4. นำาชนงานไปลางไขมนออกในสารละลายในสารละลายสำาหรบลางไขมนท 90 - 95 0C แกวงชนงาน Al ในสารละลายไปมา แตอยานานเพราะจะทำาใหชนงานดำาอก แลวลาง

นำา เชดใหสะอาดและแหง หรอผงใหแหงกได

ขนท 2 การทำาอะโนไดซแผน Al

รปท 17.26 อปกรณการทำาอะโนไดซแผนอลมเนยม1. การเตรยมสารละลายสำาหรบทำาอะโนไดซ เปนสารละลายผสมของกรดซลฟวรก

(H2SO4) เขมขน 18 mol/dm3 ปรมาตร 100 cm3 กบกรด ออกซาลก (H2C2O4) 50 g. ละลายนำาทำาใหเปนสารละลายปรมาตร 1 ลตร

2. จดอปกรณดงรป 17.26 ผานกระแสไฟฟากระแสตรงทมแรงเคลอนไฟฟา 12 V ประมาณ 15 นาท แลวกลบดานของแผนชนงาน Al ทแอโนด แลวผานกระแส

ไฟฟาตออก 15 นาท เพอใหชนงานถกอะโนไดซทวแผน จะพบวาชนงาน Al จะม Al2O3 ไปเคลอบเปนแผนฟลมบาง ๆ ทวทงแผน

3. นำาชนงานทอะโนไดซแลวมาลางนำาใหสะอาด เชดใหแหง นำาไปทดสอบการนำาไฟฟา ถาไมนำา

ไฟฟาแสดงวาเกดอะโนไดซทวทงแผนแลว เพราะสารประกอบ Al2O3 เปนสารประกอบไอออนกทไมนำาไฟฟา

อธบาย การอะโนไดซ Al ดวย Al2O3 โดยใชหลกการอเลกโทรลซส ดงน

เมอผานกระแสไฟฟากระแสตรงลงในสารละลายกรดผสมระหวาง H2SO4 + H2C2O4 เกดปฏกรยาให OH- ไอออนเกดขน โดยมแผน Al 2 แผนเปนขว โดยมชนงาน Al เปนขวแอโนด และ

แผน Al อกแผนเปนขวแคโทด

ปฏกรยาทขวแอโนด ; OH- ถกออกซไดซเกด O2 และ O2 จะไปออกซไดสชนงาน Al ตอ เกด Al2O3 แผเปนแผนฟลมบาง ๆ ปฏกรยาเปนดงน

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

4Al (s) + 3O2 (g) 2Al2O3 (s)ปฏกรยาทขวแคโทด ; H+ จากกรดถกรดวซเปนกาซ H2 ทขว แผน Al ไม

เปลยนแปลง

2H+ (aq) + 2e- H2 (g)

ขนท 3 การยอมส นำาชนงาน Al ทอะโนไดสแลวไปแชในสารละลายของผงสเขมขน 0.1 - 10.0 %

โดยมวลท 50 - 60 0C เปนเวลา 10 -20 นาท นำาชนงาน Al นไปลางใหสะอาด เชดใหแหง จะได

ชนงาน Al ทอะโนไดซตามตองการ

การรมดำาแผนโลหะ การรมดำาแผนโลหะ เปนการปองกนการผกรอนของโลหะอกวธหนง โดยการเคลอบสารสดำาทแผนโลหะ โดย

ใชความรอน การรมดำาโลหะแบงออกเปน 3 ขนตอนดงน ขนท 1 การเตรยมชนงาน

ขดชนงานดวยกระดาษทรายชนดละเอยด ลางชนงานดวยไตรคลอโรเอทลน 2 นาท ใชผาหรอ สำาลเชดชนงานใหสะอาด แลวลางไตรคลอโรเอทลนอกครงหนง

ขนท 2 การเตรยมสารละลายรมดำา ผสม NaOH 375 กรม กบ NaNO3 125 กรม ลงในนำาแลวทำาใหเปน

สารละลาย 1 ลตร ขนท 3 การรมดำาชนงาน

นำาแผนโลหะทเปนชนงานไปแชในสารละลายสำาหรบรมดำาท 136 -143 0C จะไดสารส ดำาเกาะเคลอบทผวชนงาน นำาชนงานทไดไปลางใหสะอาด เชดใหแหง ทานำามนใหทวเพอใหขนเปนมนเงาเกดความ

สวยงาม

แบบทดสอบท 17.3 ขอ 1. สมบตของเหลกและดบกถกทดสอบดวยการทดลอง 2 การทดลอง และบนทกการทดลองได

ดงนการทดลอง ผลการทดลอง

1. ผงดบกจากการตะไปโลหะดบกลงในสารละ ลายไอรออน (II) คลอไรด

ไมพบการเปลยนแปลงใด ๆ

2. ผงตะไปเหลกผสมกบสารละลายดบก (II) คลอไรด

เกดตะกอนของแรดบก

จากผลการทดลอง จงตอบคำาถามตอไปน

ก. เพราะเหตใดกระปองเหลกทเคลอบดวยดบกเพอใชเกบอาหารตาง ๆ จงไมผกรอนทง ๆ ท ดบก สามารถรบอเลกตรอนจากโลหะเหลกได

ข. เพราะเหตใดจงใชดบกเคลอบกระปองเหลกค. ถาพนทผวของดบกทเคลอบกระปองเหลกแตกออกถงเนอเหลกภายใน จะมผลทำาใหเกดการ

เปลยนของเหลกหรอไม อยางไร ถาม จงเกดปฏกรยาทเกดขนดวย

ขอ2 ก. กรดชนดใดบางทสามารถทำาใหทองแดงเกดการผกรอนได ข. เพราะเหตใดอะลมเนยมซงเปนโลหะทมความวองกนในการเกดปฏกรยาเคมมากกวาเหลก แต

เกดการผกรอนชากวาเหลก

ค. เพราะเหตใดเรอเดนทะเลจงเกดการผกรอนเรวกวาเรอทแลนในนำาจด

ง. นกเรยนคนหนงจดอปกรณเพอทำาการทดลองดงตอไปน

การทดลองใดทโลหะเหลกจะเกดการผกรอนเรวทสด เพราะเหตใด

ขอ 3. โลหะเงนจะเกดการผกรอนไดเมอรวมตวกบซลไฟดในอากาศเกดสารสเทาดำาเรยกวา Tarnished silver หรอเรยกวาเงนหมอง ซงเปน ซวเวอรซลไฟต (Ag2S) Tarnished silver นสามารถถกลางออกจากภาชนะเงนไดโดยใสลงไปในอางอลมเนยมทมสารอเลกโทรไลตทไมมสวนในการ

เกดปฏกรยา เชน NaCl (aq) จงอธบายกระบวนการทเกดขนนโดยใชหลกการทางไฟฟาเคม กำาหนดคา E0 ของปฏกรยาครงเซลลดงน

Ag2S (s) + 2e- 2Ag (s) + S2- (aq) E0 = -0.71 V

Al3+ (aq) + 3e- Al (s) E0 = -1.706 V

ขอ4. เมอทำาการทดลองดงรป

กำาหนด Y2+ (aq) + 2e- Y(s) E0 = -0.25 V

X2+ (aq) + 2e- X (s) E0 = -0.44 V

ก. โลหะใดเกดการผกรอนข. จงบอกวธในการปองกนการผกรอนของโลหะ

ขอ5. กำาหนดศกยไฟฟามาตรฐานของครงเซลลรดกชน ดงน

ปฏกรยารดกชน E0 (V)O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- 4OH- (aq)

+0.40Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s) +0.34Fe2+ (aq) + 2e- Fe (s) -0.44Zn2+ (aq) + 2e- Zn (s) -0.76

ในการทดลองภาวะตาง ๆ ของตะปเหลกการทดลองท วธทดลอง

1 ใสตะปเหลกในนำา โดยมนำาทวมครงหนงของตะปเหลก

2 ตอตะปเหลกกบสงกะส แลวแชในบกเกอรทมนำา โดยใหปลายดานทไมตอกบสงกะสอยพนผวนำา

3 ตอตะปเหลกกบทองแดง แลวแชในบกเกอรทมนำา โดยใหปลายดานทไมตอกบทองแดงอยพนผวนำา

4 แชตะปเหลก โดยใหครงหนงอยพนผวนำา และตอปลายทพนผวนำาเขากบขวลบของถานไฟฉาย

จงตอบคำาถามตอไปน

ก. ในการทดลองทหนง จะเกดการเปลยนแปลงหรอไม ถามใหเขยนสมการแสดงปฏกรยาทเกดขนดวย

ข. ในปฏกรยาการผกรอนของเหลกสารใดเปนตวออกซไดส และตวรดวซ

ค. การทดลองใดเปนการปองกนการผกรอนของเหลกดวยวธแคโทดกง. การทดลองใดทตะปเหลกมการผกรอน

ขอ 6. เมอผานกระแสไฟฟาลงในเซลลไฟฟาเคมดงรป จะเกดฟองผดรอบ ๆ เสนลวดอะลมเนยม และ แผนอะลมเนยมททำาความสะอาดแลว ปรากฏวาเกดสารสขาวไปเคลอบบนแผนอะลมเนยมนดวย

แอโนด ; 4OH- (aq) O2 (g) + 2H2O (l) + 4e-

แคโทด ; 2Al (s) + 3/2 O2 (g) Al2O3จงตอบคำาถามตอไปน

ก. ………………………กระบวนการทเกดขนนเรยกวา

ข. ครงปฏกรยาทเกดขนในแตละขว คอ ……………………………………………………แอโนด

……………………………………………………แคโทด .ค. …………………………………………ทขวแอโนดเกดสารใด ..

เฉลยแบบทดสอบท 17.3 เฉลยขอ 1. จากขอมลการทดลองวเคราะหและสรปไดดงน

การทดลองท ผลการวเคราะหผลการทดลอง สรปผลการทดลอง

12

Sn + Fe2+ ไมเกดปฏกรยา

Fe + Sn2+ Fe2+ + Sn (ตะกอนสเทา

Fe2+ ชงอเลกตรอนจาก Sn ไมได

Sn2+ ชงอเลกตรอนของ Fe ได

อาศยขอมลขางตน จงสามารถสรปไดวา Sn2+ ชงอเลกตรอนไดดกวา Fe 2+ ก. จากการทดลองจะเหนวาดบกทเคลอบอยบนผวของกระปองเหลก สามารถทำาใหเหลกเกดการผกรอนได

แตในความเปนจรงกระปองเหลกไมเกดสนมขน ทงนเพราะ ดบกทเคลอบผวกระปองเหลกอยนนเกดเปนสารประกอบ

ออกไซด SnO ทเสถยรและไมละลายนำา ซงจะเคลอบเปนฟลมบาง ๆ เกาะทผวโลหะนนกนไมใหนำา และออกซเจนซมเขาไปทำาปฏกรยากบเหลกและเกดการผกรอนได

ข. 1. เพราะดบกเปนโลหะทหาไดงาย ราคาไมแพง2. ดบกสามารถเกดเปนสารประกอบออกไซดเคลอบผวโลหะไดแนน ปองกนนำาและออกซเจนสมผสกบ

เหลกได

ค. ถากระปองเหลกเกดรอยแยก หรอแตก จะทำาใหกระปองเหลกเกดการผกรอนเรวและมากขน เพราะ Sn2+ สามารถชงอเลกตรอนไดดกวา Fe2+ (Sn2+ มคาE0 > Fe2+ )

เฉลยขอ 2 ก. กรดทสามารถทำาใหโลหะทองแดงผกรอนได เชน กรด HNO3 เจอจาง , HClO4 ,

HClO , HClO2 HClO3 ข. Al แมวาจะมคาศกยไฟฟาครงเซลลมาตรฐานนอยกวา Fe แตผกรอนชากวา Fe เพราะวา

Al สามารถรวมตวกบกาซออกซเจนในอากาศเกดเปนสารประกอบออกไซด Al2O3 เคลอบผว ซงออกไซดน

เปนออกไซดทมความเสถยร ไมละลายนำา สารตาง ๆ ซมผานเขาไปในเนอของ Al ไมได Al จงไมผกรอน สวน Fe รวมตวกบกาซออกซเจน และนำา เกดเปนสนมเหลก ไมเกาะเคลอบผว Fe ทำาให Fe มรอยและรพรน

มากขน จงผกรอนไดเรวยงขน

ค. เรอเดนทะเลเกดการผกรอนเรวกวาเรอทแลนในนำาจด เพราะเรอเดนทะเลอยในนำาเคมม NaCl ซง เปนสารละลายอเลกโตรไลตทด และ Cl- เปนตวเรงปฏกรยาในการเกดสนมเหลกในเรอเดนทะเล ดงนน จงผกรอน

เรว สวนเรอในนำาจดไมมเกลอ จงเกดการผกรอนชากวา

ง. ทกบกเกอรโลหะ Fe จมอยในนำา และสมผสกบออกซเจนในอากาศ จงผกรอนทกบกเกอร และพบวา

บกเกอร A มSn สมผสกบ Fe ซง Sn นมคา E0 มากกวาเหลก ดงนน จงทำาใหเหลกเกดการผ กรอนมากเรวขนกวาในบกเกอรอน ๆ

เฉลยขอ 3. เนองจากคา E0 ของ Ag2S สงกวา E0

ของ Al ดงนน Ag2S จงชงอเลกตรอนของอลมเนยมไดใน

สารละลาย NaCl ทเปนสารอเลกโทรไลตเฉอย เกด Ag (s) สวน Al จะผกรอนเปน Al3+ ซงอธบายในรปเซลลกลวานก

ปฏกรยาเคมทเกดขนแสดงไดดงสมการตอไปน

ปฏกรยารดกชน ; Ag2S (s) + 2e- 2Ag (s) + S2- (aq) E0

= -0.71 V ปฏกรยาออกซเดชน ; Al (s) Al3+ (aq) + 3e- E0 =

+1.706 V ปฏกรยาสทธ ; 3 Ag2S (s) + 2 Al (s) 6 Ag (s) + 3 S2-

(aq) + 2Al3+ (aq) , 0cellE = 0.996 V

เฉลยขอ 4. ก. จากรปโลหะ Y พนตะป X จะพบวาคา E0 ของ X ตำากวาของ Y ดงนนตะป X จะผ

กรอน โลหะ X จะทำาปฏกรยากบออกซเจนและนำา ในอากาศเกดออกไซดของ X จงเรยกกระบวนการนวา การเกดสนม

ข. วธปองกนการผกรอน เชน การทาส ทานำามน ทาสารกนสนม เคลอบพลาสตก หรอใหสมผสกบ

โลหะทมคา E0 ตำากวา เฉลยขอ 5. ก. การทดลองท 1 เกดสารสนำาตาลแดงเกาะทบรเวณของตะปเหลกทเปนรอยตอระหวางนำากบ

ออกซเจนในอากาศ ปฏกรยาทเกดขนเปนดงน

ปฏกรยาออกซเดชน Fe (s) Fe2+ (aq) + 2e-

ปฏกรยารดกชน O2 (g) + 2H2O (l) + 2e- 4OH- (aq) ปฏกรยาสทธ ; 2Fe (s) + O2 (g) + 2H2O(l) 2Fe2+

(aq)+4OH-(aq)4Fe(OH)2 (s) + O2 (g) + 2H2O (l)

4Fe (OH)3 (s)2Fe (OH)3 (s) Fe2O3 . H2O (s) +

2H2O (l) สนมเหลกข. Fe เปนตวรดวซ และ O2 เปนตวออกซไดซ

ค. การทดลองท 2 Zn ตอกบ Fe Zn ปองกนการผกรอนของ Fe ได เพราะ Zn มคา E0 ตำากวา Fe

ง. การทดลองท 1, 3

การทดลองท 3 Fe ผกรอน เพราะ Cu ตอกบ Fe นอกจาก Cu ไมไดปองกนการผ กรอน และยงทำาใหเหลกเกดการผกรอนเรวขนอกดวย เพราะ Cu มคา E0 (+0.34) สงกวาเหลก

(-0.409)

เฉลยขอ 6. ก. การอะโนไดซข. แอโนด ; 4OH- (aq) O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- และ

4Al (s) + 3O2 (g) 2Al2O3 (s) แคโทด ; 4H+ (aq) + 4e- 2H2 (g)ค. เกด Al2O3 เคลอบผว

17.4. ความกาวหนาทางเทคโนโลยทเกยวของกบเซลลไฟฟาเคม หลกการของเซลลไฟฟาเคมสามารถนำามาใชประโยชนตาง ๆ ไดมากมาย และปจจบนมการพฒนาเทคโนโลยให

กาวหนาเพมขนอยตลอดเวลา เชน การทำาอเลกโทรไดอะลซส และการทำาเซลลเชอเพลง

17.4.1 การทำาอเลกโทรไดอะลซสนำาทะเล เนองจากนำาทะเลมอยประมาณ 72 % ของพนทโลก ดงนน จงพบสวนทเปนนำาจดนอย นำา

ทะเลในมหาสมทรมเกลอละลายอย 3.5 % โดยมวล และความเขมขนจะเพมขนทกป ไอออนตาง ๆ ทพบในนำาทะเลแสดงไดดงน

ตารางท17.5 ไอออนทพบในนำาทะเลทความเขมขนมากกวา 0.001 g / kgไอออน ปรมาณทพบ (g / kg)Cl-

Na+

SO42-

Mg2+

Ca2+

19.3510.762.711.290.41

K+

HCO3- , CO3

2-

Br-

H2BO3-

Sr2+

F-

0.400.1060.0670.0270.0080.001

การทำานำาทะเลใหเปนนำาจดม 3 วธ คอ

1. Electrodialysis เปนการแยกไอออนของเกลอออกจากนำาทะเลดวยไฟฟากระแสตรง

2. Solar Distillation เปนการกลนนำาทะเลดวยพลงงานแสงอาทตย3. Reverse Osmosis เปนกระบวนการใหโมเลกลของนำาผานเยอบาง ๆ

ไปมาดวยแรงดนออสโมซส

การทำาอเลกโทรไดอะลซสนำาทะเล อเลกโทรไดอะลซส เปนเซลลอเลกโทรไลตชนดหนงทมประโยชนใชแยกไอออนออกจากสารละลาย โดยให

ไอออนผานแผนเยอบาง ๆ (Semipermeable membrane) ไปยงขวไฟฟาทมประจตรง ขาม ทำาใหสารละลายทอยระหวางขวไฟฟาจะมความเขมขนของไอออนลดลง โดยหลกการนสามารถนำาไปใชแยก

โซเดยมไอออน และคลอไรดไอออนออกจากนำาทะเลได ซงเปนวธในการผลตนำาจดจากนำาทะเลวธหนง

รปท 17.27 เซลลอเลกโทรไดอะลซสทำานำาทะเลใหเปนนำาจด

17.4.2 เซลลเชอเพลง (Fuel cell) เซลลเชอเพลง เปนเซลลกลวานกชนดหนงทใชสารเชอเพลงทำาปฏกรยากบกาซออกซเจนแลวได

กระแสไฟฟา เขยนเปนแผนภาพดงน

สารเชอเพลง + กาซออกซเจน สารผลตภณฑ

สารเชอเพลง เชน กาซไฮโดรเจน , ไฮโดรคารบอน เชน CH4 , C3H8 , เมทานอล (CH3OH)

สวนประกอบของเซลลเชอเพลง

1. ขวไฟฟา ใชขวเฉอย 1.1 ขวแอโนด เปนขวเฉอยทผานสารทเปนเชอเพลงลงไปแลวเกดปฏกรยาออกซเดชน ทขวน

อเลกตรอนจะไหลออก จดเปนขวลบ1.2 ขวแคโทด เปนขวเฉอยทผานกาซออกซเจน ลงไป และเกดปฏกรยารดกชน มอเลกตรอน

ไหลเขา จดเปนเปนขวบวก

2. สารละลายอเลกโทรไลต สวนมากเปนสารละลายกรดแก และเบสแก

ประโยชนของเซลลเชอเพลง1. เปนแหลงพลงงานในยานอวกาศ2. ในทางการแพทยใชเซลลเชอเพลงเปนแหลงใหกระแสไฟฟาในเครองมอทชวยในการทำาให

หวใจเตนเปนปกตสำาหรบผทเปนโรคหวใจ และใชเปนแหลงกระแสไฟฟาในเครองชวยการฟงของผพการทางห

3. ใหพลงงานทมประสทธภาพสงกวาพลงงานทไดจากเครองยนตสนดาปภายใน เพราะไมมการสญเสยพลงงานไปกบแรงเสยดทานจากเครองยนต

เซลลเชอเพลงไฮโดรเจน - ออกซเจน เซลลเชอเพลงชนดนทำาใหเกดกระแสไฟฟาขนจากปฏกรยาระหวางกาซไฮโดรเจนทเปนเชอเพลง กบ

กาซออกซเจน ทำาใหเกดพลงงานไฟฟาและนำาขนสวนประกอบของเซลล

1. ขวไฟฟา 1.1 แอโนด เปนขวเฉอยทมรพรน ๆ ทผสมดวย Pt หรอ Pd เปนตวเรงปฏกรยา

แลวผานกาซไฮโดรเจนลงไป เกดปฏกรยาออกซเดชนกบ OH- ใหอเลกตรอนไหลออก จดเปนขวลบ

1.2 แคโทด เปนขวเฉอยมรพรน ๆ ทผสมดวย C , Pt หรอ Ag เปนตวเรง ปฏกรยาแลวผานกาซออกซเจน ลงไปเกดปฏกรยารดกชนกบนำา ทำาใหอเลกตรอนไหลเขา จด

เปนขวบวก

2. สารละลายอเลกโทรไลต เชน สารละลาย KOH หรอ NaOH 25% โดยมวล

รปท 17.28 แผนภาพเซลลเชอเพลง H2/O2 เซลลเชอเพลงนอาศยหลกการให กาซไฮโดรเจนทำาปฏกรยากบกาซออกซเจน เกดเปน นำา ปฏกรยา

ทเกดขนแสดงใหเหนไดดงน

แอโนด ; H2 (g) จะแพรผานเขาทผวของขว โดยมตวเรงปฏกรยาทำาใหกาซไฮโดรเจนแตดตวเปน H อะตอม แลวทำาปฏกรยากบ OH- ของสารอเลกโทรไลตเกดนำาขน

H2 (g) กรยาตวเรงปฎ 2H (g)2H (g) + 2OH- (aq) 2H2O + 2e-

ปฏกรยารวมทขวแอโนด ; H2 (g) +2OH- (aq) 2H2O + 2e- E0

= 0.83 V

แคโทด ; อเลกตรอนทเกดขนผาจากขวแอโนดไปตลอดยงขวแคโทด กาซออกซเจน ถกดดเขาไปทผว

แคโทด และถกรดวซ เปน OH- ดงนO2 (g) + 2H2O (l) + 4e- 4OH- (aq) E0

= 0.40 Vปฏกรยาสทธของเซลลคอ

H2 (g) + O2 (g) 2H2O E0 = 1.23 V

เซลลเชอเพลงชนดนไมกอใหเกดมลภาวะแกสงแวดลอม เพราะเกดไอนำา มประสทธภาพในการใชงานสงมาก ใชประโยชนในยานอาวกาศ เพราะใหพลงงานไดอยางตอเนอง และนำาทเกดขนสามารถใชดมได

เซลลเชอเพลงโพรเพน - ออกซเจน เซลลเชอเพลง โพรเพน/ ออกซเจน นเปนเซลลเชอเพลงททำาใหเกดกระแสไฟฟาขนจากปฏกรยา

ระหวางกาซโพรเพน (C3H8 ) กบกาซออกซเจน เกด CO2 และ นำา

รปท 17.29 แผนภาพแสดงเซลลเชอเพลงโพรเพน - ออกซเจนสวนประกอบของเซลล

1. ขวไฟฟาเฉอย 1.1 เปนขวเฉอยท C3H8 เกดปฏกรยาออกซเดชนชนกบ H2O ได CO2 และ

H+ ทำาใหเกดอเลกตรอนไหลออกจากขว จดเปนขวลบ

1.2 แคโทด เปนขวเฉอย ออกซเจนเกดปฏกรยารดกชนกบ H+ ได นำา (อเลกตรอนไหล เขา จดเปนขวบวก)

2. สารละลายอเลกโทรไลต ไดแก กรดแกเขมขน เชน H2SO4 หรอ H3PO4

ปฏกรยาทเกดขนเปนดงน

แอโนด ; C3H8 (g) + 6H2O 3CO2 (g) + 20H- + 20e-

แคโทด ; 5O2 (g) + 20H- (aq) + 20e- 10H2O (l) ปฏกรยาสทธ ; C3H8 (g) + 5O2 (g) 3CO2 (g) + 10H2O (l)

เซลลเชอเพลงนมประสทธภาพเปน 70 % และประสทธภาพในการทำางานสงประมาณ 2 เทาของ เครองยนตสนดาปภายใน แตเซลลชนดนกอใหเกดมลพษตออากาศ คอเกดกาซ CO2 (g)

แบบทดสอบท17.4

1.เซลลกลวานกชนดหนงเกดปฏกรยาดงน แอโนด ; CH4 (g) + 2H2O CO2 (g) + 8H+ (aq)

+ 8e- E0 = -0.169 V แคโทด ; 2O2 (g) + 8H+ (aq) + 8e- 4H2O

E0 = +1.229 Vจงตอบคำาถามตอไปน

ก. บอกประเภทของเซลลกลวานกข. เขยนสมการสทธของปฏกรยานค. หาคาศกยไฟฟามาตรฐานของเซลลนง. บอกมลภาวะทอาจจะเกดขนจากเซลลกลวานกน

2. จากศกยไฟฟามาตรฐานของครงเซลลท 25 องศาเซลเซยส ขางลาง จงคำานวณหาศกยไฟฟา

มาตรฐานของเซลลเชอเพลงไฮโดรเจน - ออกซเจน ( หนวยเปน V)ปฏกรยา E0 (V)

O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- H2O 1.23O2 (g) + 2H2O + 4e- 4OH- (aq) 0.402H+ (aq) + 2e- H2 (g) 0.002H2O + 2e- H2 (g) + 2OH- (aq) -0.83

3. สารละลายผสมประกอบดวย MgCl2 MgSO4 CaCl2 NaCl และนำาทง จากโรงงานอตสาหกรรมปรมาณมาก ถาตองการทำาแยกตวถกละลายตาง ๆ ออกจากนำาควรทำาการอเลกโทรลซสอยาง

ไร เขยนแผนภาพแสดงการแยกสงเหลานออกจากนำาดวย เรยกกระบวนการนวาอยางไร

4. เซลลเชอเพลงไฮโดรเจน - ออกซเจน มปฏกรยาครงเซลลดงน

แอโนด ; H2 (g) + 2OH- (aq) 2H2O (l) + 2e-

แคโทด ; O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- 4OH- (aq)ก. เซลลเชอเพลงเปนเซลลไฟฟาเคมประเภทใด

ข. ประโยชนของเซลลไฮโดรเจน- ออกซเจนมอะไรบาง

เฉลยแบบทดสอบท17.4 เฉลยขอ 1. ก. เซลลเชอเพลงมเทน - ออกซเจนข. CH4

(g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2Oค. เทากบ 1.06 Vง. มลภาวะทเกดขนคอ CO2

เฉลยขอ 2. 0cellE = 1.23 โวลต

เฉยลขอ 3 . แผนภาพแสดงไดดงน

เรยกระบวนการนวา อเลกโทรไดอะลซส

เฉลยขอ 4. ก. เปนเซลลกลวานกชนดหนงข. ประโยชน เชน เปนแหลงพลงงานในยานอวกาศในทางการแพทยใชเซลลเชอเพลงเปนแหลงใหกระแสไฟฟาในเครองมอทชวยในการทำาใหหวใจเตน

เปนปกตสำาหรบผทเปนโรคหวใจ และใชเปนแหลงกระแสไฟฟาในเครองชวยการฟงของผพการทางห

**end**