1

Electrochemistry Onjila Boupraseart

Chemistry department Wiengsra school surattani

www.wsra.ac.th

1 ปฏกรยารดอกซ

2 การดลสมการรดอกซ

2.1 การดลสมการรดอกซโดยใชเลขออกซเดชน

2.2 การดลสมการรดอกซโดยใชครงปฏกรยา

3 เซลลไฟฟาเคม

3.1 เซลลกลปวานก

3.1.1 การเขยนแผนภาพของเซลลกลปวานก

3.1.2 ศกยไฟฟาของเซลลและศกยไฟฟามาตรฐานของครงเซลล

3.1.3 ประเภทของเซลลกลปวานก

3.2 เซลลอเลกโทรไลต

3.2.1 การแยกสารละลายดวยกระแสไฟฟา

3.2.2 การแยกสารทหลอมเหลวดวยกระแสไฟฟา

3.2.3 การชบโลหะดวยกระแสไฟฟา

3.2.4 การท าโลหะใหบรสทธโดยใชเซลลอเลกโทรไลต

3.3 การผกรอนของโลหะและการปองกน

4 ความกาวหนาทางเทคโนโลยทเกยวของกบเซลลไฟฟาเคม

4.1 แบตเตอรอเลกโทรไลตแขง

4.2 แบตเตอรอากาศ

4.3 การท าอเลกโทรไดอะลซสน าทะเล

2

3

เลขออกซเดชน

ประจสมมตบนอะตอมของธาตในสารประกอบหรอไอออน เมอคดวาสารประกอบหรอไอออนนนเปนไอออนก คอ มการถายเทอเลกตรอนระหวางธาตอยางสมบรณ

1. ธาตอสระมเลขออกซเดชนเปน ศนย

Na, Be, K, Pb, H2, O2, P4 = 0 2. ไอออนของธาตอะตอมเดยวมเลขออกซเดชนเทากบประจ

Li+, Li = +1; Fe3+, Fe = +3; O2-, O = -2

3. โลหะหม IA มเลขออกซเดชนเปน +1, โลหะหม IIA มเลขออกซเดชนเปน +2 และฟลออรนเปน –1 เสมอ

4

4. โดยปกตออกซเจนอะตอมมเลขออกซเดชนเปน –2 แตออกซเจนใน H2O2 และ O2

2- เปน –1 5. ไฮโดรเจนมเลขออกซเดชนเปน +1 ยกเวน เมอเปน

สารประกอบไฮไดรดของโลหะซงมเลขออกซเดชนเปน –1.

6. ผลรวมของเลขออกซเดชนของธาตทกตวในโมเลกลเปนศนย หรอ เทากบประจของไอออน

เลขออกซเดชนของ C ใน HCO3

- เปนเทาไร?

HCO3-

O = -2 H = +1 3x(-2) + 1 + ? = -1

C = +4

5

(a) ปฏกรยาระหวาง Cu(s) + AgNO3(aq)

(b) ปฏกรยาระหวาง Cu(s) + ZnSO4(aq)

ปฏกรยารดอกซ(Redox reaction)

6

Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- ……….Oxidation

Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) ……….Reduction

Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) ……….Redox

ปฏกรยารดอกซ (Redox reaction)

http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/redox/home.html

7

ปฏกรยารดอกซ

ปฏกรยาทมการถายโอนอเลกตรอน หรอ ปฏกรยาทมการใหและรบอเลกตรอน

ปฏกรยาทมการเปลยนแปลงเลขออกซเดชน

ปฏกรยารดอกซ (Redox reaction)

8

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

ปฏกรยารดอกซ (Redox reaction)

Cu Zn

การทดลอง 1.1 ปฏกรยาระหวางโลหะกบสารละลายของโลหะไอออน

1.

2.

CuSO4 1 M

-กอนจมแผนโลหะ ในสารละลายมไอออนของโลหะชนดใดละลายอย

-โลหะกบไอออนของโลหะในสารละลายคใดทมปฏกรยาเคมเกดขน ทราบไดอยางไร

-โลหะกบไอออนของโลหะคทเกดปฏกรยา เลขออกซเดชน ของสาร มการเปลยนแปลงอยางไร

ก. ทนทท จม ข. เมอตงทงไวระยะเวลาหนง

รปท 2. ปฏกรยาระหวางโลหะสงกะสกบสารละลาย CuSO4

Zn(s) Zn2+(aq) + 2e-…….(1)

Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) …….(2)

12

Oxidation reaction :

ปฏกรยาทสารมการใหอเลกตรอน

2Zn(s) + O2(g) 2ZnO(s)

Reduction reaction :

ปฏกรยาทสารมการรบอเลกตรอน

ปฏกรยารดอกซ (Redox reaction)

13

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

Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- ……..Oxidation

Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)…Reduction

ตวรดวซ(Reducing agent หรอ Reducer)

ตวออกซไดส(Oxidizing agent หรอ Oxidizer)

ปฏกรยารดอกซ (Redox reaction)

14

การดลสมการรดอกซ

วธครงปฏกรยา เขยนครงปฏกรยาออกซเดชนและครงปฏกรยารดกชน

ดลจ านวนอะตอมของธาตในแตละครงปฏกรยาใหเทากน

ท าประจแตละครงปฏกรยาใหเทากน โดยการเตม e-

ท าจ านวน e- ทงสองครงปฏกรยาใหเทากน

รวมสองครงปฏกรยาจะไดปฏกรยารดอกซทสมดล

15

การดลสมการรดอกซ

ในสารละลายกรด: I2 + Cr2O72- + H+ Cr3+ + IO3

- + H2O

ใหเตม H2O ดานทขาด O หรอ ทม O นอยกวา และเตม H+ อกดานหนง

ในสารละลายเบส: Cl2 + IO3- + 2OH- 2Cl- + IO4

- + H2O

ใหท าเหมอนสารละลายกรด และ ใหเตม OH- ทงสองดานของสมการ

16

ขนท 1 I2 IO3- ..…. Oxidation

Cr2O72- Cr3+ ..…. Reduction

ขนท 2 I2 + 6H2O 2IO3- + 12H+ ……. Oxidation

Cr2O72- + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O ……. Reduction

ขนท 3 I2 + 6H2O 2IO3- + 12H+ + 10e- …..Oxidation

Cr2O72- + 14H+ + 6e- 2Cr3+ + 7H2O …..Reduction

การดลสมการรดอกซ I2 + Cr2O7

2- + H+ Cr3+ + IO3- + H2O

17

ขนท 4 3 I2 +18H2O 6IO3- + 36H+ + 30e- Oxidation

5Cr2O72- + 70H+ + 30e- 10Cr3+ + 35H2O…..Reduction

ขนท 5 3I2 + 5Cr2O72- + 34H+ Cr3+ + 6IO3

- + 17H2O ….Redox

การดลสมการรดอกซ I2 + Cr2O7

2- + H+ Cr3+ + IO3- + H2O

18

เซลลไฟฟาเคม(Electrochemical cell)

เซลลกลวานก(Galvanic cell)

เซลลอเลกโตรไลต(Electrolytic cell)

การทดลอง 9.2 การถายโอนอเลกตรอนในเซลลกลวานก

Salt bridge

Zn2+ + SO42- Cu2+ + SO4

2-

Zn(s)

Anode (-)

Cu(s)

Cathode (+)

2e-

Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)

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

20

เซลลกลวานก(Galvanic cell)

ครงเซลล 2 ครงเซลล(Hale cell)

สะพานเกลอ(Salt bridge)

ขวไฟฟา(Electhode)

สารละลายอเลกโทรไลต(Electrolyte solution) 1 2

Salt bridge

21

เซลลกลวานก (Galvanic Cell)

Anode : Oxidation Zn(s) Zn2+(aq) + 2e-

Cathode : Reduction Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)

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

22

เซลลกลวานก (Galvanic Cell)

Oxidation reaction?

Reduction reaction?

Redox reaction?

Oxidizing agent?

Reducing agent?

23

เขยนครงเซลล Anode ไวทางซาย Cathode ไวทางขวา โดยเขยนขวไฟฟาไวนอกสดตามดวยไอออนในสารละลาย

ใชเครองหมาย / คนระหวางขวไฟฟากบสารละลาย ใชเครองหมาย // แทนสะพานไอออน เขยนไวระหวาง Anode กบ

Cathode

แผนภาพอยางยอแสดงเซลลกลวานก

24 Cu(s) / Cu2+(aq) // Ag+(aq) / Ag(s)

แผนภาพอยางยอแสดงเซลลกลวานก

25

แผนภาพอยางยอแสดงเซลลกลวานก

กรณทครงเซลลใดสารละลายม

ไอออนมากกวา 1 ชนดใหใช

เครองหมาย , (จลภาค) คน

ระหวางไอออนแตละชนด…..

Pt(s) / Fe2+(aq),Fe3+(aq) // Ag+(aq) / Ag(s)

26

แผนภาพอยางยอแสดงเซลลกลวานก

กรณทขวไฟฟาของครงเซลลเปนขว กาซ เชน H2 , Cl2 หรอขวของเหลว เชน Br2

ซงไมน าไฟฟา จะตองใชโลหะทเฉอยตอ ปฏกรยาเปนขวไฟฟา เชน Pt การเขยนครงเซลลใหใชเครองหมาย( , ) คน ระหวางขวโลหะกบขวกาซหรอขวของเหลว

Zn(s) / Zn2+(aq) // H+(aq) / H2(g) / Pt(s)

27

ขวไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard Hydrogen Electrode : SHE)

ภาวะมาตรฐาน

ความดนแกส = 1 atm

ความเขมขน = 1 M

อณหภม = 25C ก าหนดคาศกยไฟฟามาตรฐาน

ของครงเซลล (E) = 0.000 V

28

การหาคาศกยไฟฟาของครงเซลล

E0

cell = E0cathode – E0

anode 0.34 V = E0

Cu – 0.00 V E0

Cu = 0.34 V

29

การหาคาศกยไฟฟาของครงเซลล

E0

cell = E0cathode – E0

anode 0.76 V = 0.00 V – E0

Zn E0

Zn = -0.76 V

30

ศกยไฟฟามาตรฐานของครงเซลล

31

ความแรงในการเปนตวออกซไดสและตวรดวซ

32

เซลลความเขมขน(Concentration Cell)

33

สวนประกอบของเซลล

ขวไฟฟา (Electrode) สารละลาย อเลกโทรไลต

(Electrolytic solution)

เซลลอเลกโทรไลต(Electrolytic Cell)

ขอแตกตางระหวางกลวานกเซลลกบอเลกโทรไลตกเซลล

ขอแตกตาง กลวานก อเลกโทรไลตก

ปฏกรยา

การเปลยนแปลง

ขวไฟฟา

การน าไปใช

Spontaneous

เคมเปนไฟฟา

Cathode (+)

Anode (-)

เปนแหลงพลงงาน

Nonspontaneous

ไฟฟาเปนเคม

Cathode (-)

Anode (+)

ชบโลหะ การท าโลหะใหบรสทธ

35

H2SO4

- +

Cathode(-) 2H2O+2e- H2+2OH-; Eo=-0.83V

2H+ +2e- H2 ; Eo= 0.00V

Anode(+) 2H2O O2+4H++4e- ; Eo= -1.23V

2SO42- S2O8

2- + 2e-; Eo= -2. 01V

2H2O 2H2 + O2

การแยกน าดวยไฟฟา

36

การแยกโซเดยมคลอไรดหลอมเหลว

Anode : Oxidation 2Cl- Cl2 + 2e-

Cathode: Reduction 2Na+ + 2e- 2Na

37

NaCl(aq) Na+ Na+ Na+

Na+ Cl- Cl- Cl-

Cl- H2O H2O

H2O H2O H2O

H2O H2O

H2O

Anode : Oxidation 2Cl- Cl2 + 2e- : Eo= -1.36 V

2H2O O2+4H++4e- : Eo= -0.82 V

Cathode : Reduction Na++e- Na : Eo= -2.71 V

2H2O+2e- H2+2OH- : Eo= -0.83 V

การแยกสารละลายโซเดยมคลอไรด

(O2มศกยไฟฟาเกนตววดไดถง 1.5 V)

Redox : 2Cl- + 2H2O H2 + Cl2 + 2OH-

ประเภทของเซลลกลวานก

เซลลปฐมภม เซลลทตยภม -เซลลถานไฟฉาย

-เซลลแอลคาไลน

-เซลลปรอท

-เซลลเงน

-เซลลเชอเพลงไฮโดรเจน-ออกซเจน

-เซลลเชอเพลงไฮโดดรเจน-ออกซเจนทไมม Na2CO3 เปนอเลกโทรไลต

-เซลลเชอเพลงโพรเพน-ออกซเจน

-เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว

-เซลลนเกล-แคดเมยม

-เซลลโซเดยม-ซลเฟอร

39

เซลลปฐมภม(Primary cell)

เซลลแหง(Dry Cell) เซลลเลอคลงเช(Leclanche Cell)

40

Redox Zn(s)+2NH4

+(aq)+2MnO2(s) Zn2+(aq)+ Mn2O3(s)+2NH3(g)+2H2O(l)

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

Zn2+(aq) + 2NH3(g) + 2H2O(l) [Zn(H2O)2(NH3)2]2+(aq)

Cathode : C …Reduction 2NH4

+(aq)+2MnO2(s)+2e- Mn2O3(s)+2NH3(g)+2H2O(l)

Anode : Zn …………..Oxidation Zn(s) Zn2+(aq) + 2e-

ปฏกรยาเคมในเซลลปฐมภม

41 เซลลเงน

เซลลปฐมภม(Primary cell)

เซลลเงน มสวนประกอบเชนเดยวกบเซลลปรอท แตใชซลเวอรออกไซด ( Ag2O) แทนเมอรควร (II) ออกไซด ( HgO) ปฏกรยาทเกด 1. Anode (Oxidation) Zn + 2OH- --> ZnO + H2O + 2e- 2. Cathode (Reduction) Ag2O + H2O + + 2e- ---> 2Ag + 2OH-

ปฏกรยารวม (Redox) Zn + Ag2O ---> ZnO + 2Ag

เซลลเงนใหศกยไฟฟาประมาณ 1.5 Volts มขนาดเลกและมอายการใชงานไดนานมากแตมราคาแพง จงใชกบอปกรณหรอเครองใชไฟฟาบางชนด เชน เครองคดเลข นาฬกา

43

เซลลปฐมภม(Primary cell)

เซลลปรอท

เซลลปรอท หลกการเหมอนกบเซลลอลคาน แตใชเมอรควร (II) ออกไซด ( HgO) แทนแมงกานส (IV) ออกไซด (MnO2) ปฏกรยาทเกด 1. Anode (Oxidation) Zn + 2OH- --> ZnO + H2O + 2e- 2. Cathode (Reduction) HgO + H2O + 2e- ---> Hg + 2OH- ปฏกรยารวม (Redox) Zn + HgO ---> ZnO + Hg

เซลลปรอทใหศกยไฟฟาประมาณ 1.3 Volts ใหกระแสไฟฟาต า แตมขอดทสามารถใหศกยไฟฟาเกอบคงทตลอดอายการใชงาน นยมใชกนมากในเครองฟงเสยงส าหรบคนหพการ

เซลลเชอเพลงไฮโดรเจน-ออกซเจน เซลลเชอเพลงไฮโดรเจน-ออกซเจน

ประกอบดวยแทงคารบอนทมรพรน 2 แทงท าหนาทเปนขวไฟฟาทผวของแทงคารบอนมผงแพลทนมหรอแพลเลเดยมผสมยเพอท าหนาทเปนตวเรงปฏกรยา ขวไฟฟาทงสองจมอยในอเลกโทรไลตซงอาจเปนสารละลาย NaOH หรอ KOH ปฏกรยาทเกดขน ทแอโนด O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- ------> 4OH-(aq) ทแคโทด 2H2(g) + 4OH-(aq) -----> 4H2O(l) + 4e-(s) ปฏกรยารวม O2(g) + 2H2(g) -----> 2H2O(l) เนองจากปฏกรยาทเกดขนมการรบและการใหอเลกตรอน จงท าใหมกระแสไฟฟาเกดขนดวย เซลลประเภทนถกน าไปใชในยานอวกาศ เพราะนอกจากจะไดพลงงานไฟฟาแลวยงไดน าเปนน าดม ส าหรบนกบนอวกาศดวย

เซลลเชอเพลงโพรเพน-ออกซเจน ปฏกรยาทเกดขน ทแอโนด 5O2 (g) + 20H+ (aq) + 20e- ------> 10H2O(l) ทแคโทด C3H8(g) + 6H2O(l) -----> 3CO2(g) + 20H+ (aq)+ 20e-(s) ปฏกรยารวม 5O2 (g) + C3H8(g) -----> 3CO2(g) + 4H2O(l)

ปฏกรยาในเซลลเชอเพลงโพรเพน-ออกซเจนนเสมอนกบปฏกรยาสนดาปของกาซโพรเพนเซลลนอาจใหประสทธภาพการท างานสงประมาณ 2 เทาของเครองยนตสนดาปภายใน

47 เซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว(แบตเตอร)

เซลลทตยภม(Secondary cell)

แบตเตอร

1) เมออดไฟครงแรก 2) เมอจายไฟ 3) เมออดไฟครงตอไป

ปฏกรยาเคมในเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว

49

การจายไฟ

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

ขว PbO2 : PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+ + 2e- PbSO4(s) + 2H2O(l)

การอดไฟ ขว Pb : PbSO4(s) + 2e- Pb(s) + SO4

2-(aq) ขว PbO2 : PbSO4(s) + 2H2O(l) PbO2(s) + SO4

2-(aq) + 4H+ + 2e-

50

การชบโลหะ

51

การชบโลหะ

Anode : โลหะทตองการชบ

Cathode : สงทตองการชบ

Electrolyte solution : มไอออนของโลหะทเปน anode

ใชไฟฟากระแสตรง

52

การท าโลหะใหบรสทธ

ใชโลหะบรสทธเปน Cathode และโลหะไมบรสทธเปน Anode

สารละลายอเลกโทรไลตมไอออนของโลหะบรสทธ

ประโยชนของเซลลอเลกโทรไลต

+ -

Anode Cathode

CuSO4 + H2SO4

ทองแดงไมบรสทธ ทองแดงบรสทธ

กากตะกอน

การท าทองแดงใหบรสทธ จากโลหะทประกอบดวย Cu, Fe, Zn, Ag, Au, Pt

การผกรอนของโลหะ

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

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

Fe(OH)2(s)

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

55

การสกกรอน(Corrosion)

หรอ 4Fe(OH)2(s) + O2(g) 2Fe2O3.H2O(s) + 2H2O(aq)

การเกดสนมเหลกเนองจาก CO2

CO2 ละลายน าแลวเกด H2CO3 ซงแตกตวให H+

• Anode : Fe(s) Fe2+(aq) + 2e-

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

• 4Fe2+(aq) + O2(g) + (4+2n)H2O(l) 2Fe2O3.nH2O(s) + 8H+(aq)

การผกรอนของโลหะ

57

โดยการปดพนผวดวยการทาสหรอเครอบ โดยการทาพนผวดวยตวยบยงการสกกรอน วธแคโทด(Cathodic) โดยการท าใหโลหะเปลยนสภาพเปนแคโทด ท าใหโลหะ

นนไมตองเสยอเลกตรอน วธอะโนไดซ(Anodize) โดยการเคลอบผวดวยโลหะทออกไซดสลายตว

ยาก เชน Al, Sn, Cr วธรมด า โดยการน าแผนโลหะแชในสารละลายรมด า(NaNO3+NaOH+H2O)

ทอณหภม 136-143C

การปองกนการสกกรอน

การปองกนการผกรอนของถงเหลกโดยใชขว Mg

59

การท าอเลกโทรไดอะลซสน าทะเล

เซลลเชอเพลง

แบบเตอรอเลกโทรไลตแขง

เทคโนโลยเกยวของกบเซลลไฟฟาเคม

ความกาวหนาทางเทคโลโลยเกยวของกบเซลลไฟฟาเคม

ปฏกรยาทเกดขน ทแอโนด Li (s) ------> Li+(s) + e- ทแคโทด TiS2(s) + e- -----> TiS2 -(s) ปฏกรยารวม Li(s) + TiS2(s) -----> Li+(s) + TiS2

-(s)

ศกยไฟฟาของเซลลนมคาประมาณ 2 โวลต เมอโลหะลเทยมใหอเลกตรอนแลวจะกลายเปน Li+ ผานอเลกโทรไลตแขงไปยงแคโทดซงม TiS2 ท าหนาทรบอเลกตรอนเกดเปน TiS2-(s) จากนน TiS2- จะรวมตวกบ Li+ เกดเปน LiTiS2 อเลกโทรไลตแขงท าหนาทเปนฉนวนตออเลกตรอน จงท าใหเซลลไฟฟาน สามารถใชงานไดโดยไมเกดการลดวงจร เซลลไฟฟาแบบนเปนแบบทตยภมสามารถประจไฟไดใหมเชนเดยวกบเซลลนแคดหรอเซลลสะสมไฟฟาแบบตะกว ในปจจบนนมการใชแบตเตอรชนดนกบรถยนต ท าใหไมตองเตมน ากลนกบแบตเตอรอกตอไปเมอแบตเตอรนหมดอายการใชงานแลวกสามารถเปลยนใหมได แตยงมราคาแพงมากเมอเทยบกบแบตเตอรทใชแผนตะกวเปนขวไฟฟาและใชสารละลายกรดเปนอเลกโทรไลต

ความกาวหนาทางเทคโลโลยเกยวของกบเซลลไฟฟาเคม

การท าอเลกโทรไดอะลซสน าทะเล

62

สวสด อ. ออนจลา บวประเสรฐ

Chemistry department