เซลล์อิเล็กโตรไลต์ (Electrolytic cell)
เซลล์อิเล็กโตรไลต์ (Electrolytic cell)
เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่มีการเปลี่ยนรูปพลังงานตรงข้ามกับเซลล์กัลวานิก คือกัลวานิกเป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า คือสารเคมีสามารถเกิดปฏิกิริยากันได้เองแล้วปล่อยพลังงานไฟฟ้าออกมา แต่สำหรับเซลล์อิเล็กโตรไลต์แล้วสารเคมีทำปฏิกิริยารีดอกซ์กันเองไม่ได้ จนกว่าจะได้รับพลังงานไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์เหมาะสม จึงจะทำให้สารเคมีเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์กันได้ จึงเป็นการเปลี่ยนรูปพลังงานจากพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี เซลล์อิเล็กโตรไลต์จึงประกอบด้วย 2 ส่วน คือ ส่วนที่เป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้า (วงจรภายใน) กับส่วนของสารเคมีที่ทำปฏิกิริยากันเองไม่ได้ (วงจรภายนอก) ถ้าย้อนกลับไปดูเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว ขั้นตอนของการประจุไฟจัดเป็นเซลล์อิเล็กโตรไลต์ ขั้นตอนการจ่ายไฟเป็นเซลล์กัลวานิก
หลักการของเซลล์อิเล็กโตรไลต์มีการนำไปใช้ในกระบวนการต่าง ๆ ได้หลากหลาย โดยสังเขปมีดังนี้ หลักการของเซลล์อิเล็กโตรไลต์มีการนำไปใช้ในกระบวนการต่าง ๆ ได้หลากหลาย โดยสังเขปมีดังนี้
1. การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า (Electrolysis of water)
น้ำเกิดจากปฏิกิริยารีดอกซ์ระหว่าง H2 กับ O2 ซึ่งเกิดขึ้นได้เอง เป็นปฏิกิริยาของเซลล์กัลวานิกชนิดเซลล์เชื้อเพลิง ดังสมการ
2H2 + O2 → 2H2O
แต่ H2O ไม่สามารถสลายตัวให้กลับมาเป็น 2H2 และ O2 อย่างเดิมด้วยตัวเองได้จนกว่าจะได้รับพลังงานไฟฟ้าที่เหมาะสมจึงจะเกิดปฏิกิริยาได้ จึงเป็นรูปแบบของเซลล์อิเล็กโตรไลต์
การเรียกชื่อของขั้วไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโตรไลต์มีข้อกำหนดว่า ให้เรียกขั้วของสารเคมีที่เกิดปฏิกิริยาเองไม่ได้ที่ต่อกับขั้วบวกของแหล่งจ่ายไฟว่าแอโนด (บางคนเรียกผิดคือเรียกว่าขั้วบวกคือแอโนด ทำให้สับสนเมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์กับว่านิก เพราะแอโนดของเซลล์กัลวานิกคือขั้วลบ) โดยที่แอโนดไม่ว่าจะเป็นของเซลล์กัลวานิกหรือของเซลล์อิเล็กโตรไลต์ จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเสมอ ขณะเดียวกันให้เรียกขั้วของสารเคมีที่เกิดปฏิกิริยาเองไม่ได้ ที่ต่อกับขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟว่าแคโทด โดยที่แคโทดไม่ว่าจะเป็นของเซลล์กัลวานิกหรือของเซลล์อิเล็กโตรไลต์ จะเกิดปฏิกิริยารีดักชันเสมอ
ฉะนั้นแอโนดและแคโทดจะมีอย่างละ 2 แห่ง โดยเป็นของแหล่งจ่ายไฟกับของสารเคมีที่เกิดปฏิกิริยาเองไม่ได้ เมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้า ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นดังนี้
ที่แอโนด ; H2O → + 2H+ + 2e-
เขียนเพื่อแสดงค่า Eo จะเป็นดังนี้ ; + 2H+ + 2e- → H2O ; Eo = +1.23 V
ที่แคโทด ; 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- ; Eo = -0.83 V
ปฏิกิริยารวม ; H2O + 2H2O + 2e- → + 2H+ + 2e- + H2 + 2OH-
H2O è H2 +
*** การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า จะได้ H2 : O2 = 2:1 โดยจำนวนโมล หรือโดยปริมาตรที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน
*** ควรจำค่า Eo ของน้ำทั้งออกซิเดชันและรีดักชั้นเอาไว้ จะมีประโยชน์สำหรับการพิจารณาว่าเมื่อทำอิเล็กโตรไลซีสสารละลายต่าง ๆ จะเกิดปฏิกิริยาอย่างไร
2. การแยกสารไอออนิกขณะหลอมเหลว (Electrolysis of molten ionic compound)
ขณะที่สารไอออนิกกำลังหลอมเหลวย่อมแตกตัวออกเป็นไอออนบวกกับไอออนลบ เช่น NaCl(s) è Na+(g) + Cl-(g) ถ้าใช้ขั้วไฟฟ้า (electrode) ที่ทำด้วยวัตถุเฉื่อย เช่น แกรไฟต์ แพลตทินัม 2 ขั้วจุ่มลงไป แล้วปล่อยไฟฟ้ากระแสตรงที่มีความต่างศักย์พอเหมาะลงไป
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้
แคโทด ; Na+(g) + e- → Na(g)
แอโนด ; 2Cl-(g) → Cl2(g)+ 2e-
ถ้าขั้วไฟฟ้าไม่ทำด้วยวัตถุเฉื่อย ขั้วไฟฟ้าก็อาจเกิดปฏิกิริยาเสียเอง เช่น ถ้าใช้สังกะสี (Zn) เป็นขั้วไฟฟ้า เปรียบเทียบค่า Eo กันได้ดังนี้
Zn2+ + 2e- → Zn - 0.76 V
Cl2 + 2e- → 2Cl- +1.36 V
จะเห็นได้ว่า Zn เป็นดัวรีดิวซ์ที่ดีกว่า Cl- ฉะนั้น Zn จึงเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ง่ายกว่า Cl- ฉะนั้นที่แอโนดเราจะไม่ได้แก๊สคลอรีน แต่จะได้ Zn2+ แทน และแผ่นสังกะสีก็จะค่อย ๆ กร่อนลงไปเรื่อย ๆ ที่แคโทดจะไม่มีปัญหาอะไรเพราะเป็นเพียงทางผ่านของอิเล็กตรอน
3.การแยกสารละลายของสารไอออนิกในน้ำโดยใช้กระแสไฟฟ้า (Electrolysis of ionic compounds solution) การแยกน้ำบริสุทธิ์ด้วยกระแสไฟฟ้า จะได้ก๊าซ O2 ที่แอโนด ขณะเดียวกันจะได้ก๊าซ H2 ที่แคโทด แต่เมื่อมีสารไอออนิกละลายอยู่ในน้ำ ไอออนที่เกิดจากการละลายของสารไอออนิกก็อาจเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์เป็นคู่แข่งกับโมเลกุลของน้ำได้ ต้องเปรียบเทียบกันที่ค่า Eo ค่า Eo ของน้ำมี 2 ค่า ดังนี้ 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- ; Eo = -0.83 V (ปฏิกิริยานี้เกิดที่แคโทด) + 2H++2e- → H2O ; Eo = +1.23 V (ปฏิกิริยานี้เกิดที่แอโนด)
เมื่อมีสารไอออนิกละลายอยู่ในน้ำ เช่น CuSO4 ในสารละลายก็จะมี Cu2+ กับ SO42- ละลายอยู่ด้วย เมื่อนำไปทำอิเล็กโตรไลซีส Cu2+ ก็เป็นคู่แข่งกับ H2O ในการเกิดปฏิกิริยารีดักชันที่แคโทด ขณะเดียวกัน SO42- ก็จะเป็นคู่แข่งกับ H2O ในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่แอโนด ความสามารถในการเกิดปฏิกิริยารีดักชันของอนุภาคต่าง ๆ เมื่อเปรียบเทียบกับ H2O ให้ดูค่า Eo รีดักชันของน้ำเป็นหลักคือ -0.83 V ถ้าอนุภาคใดมีค่า Eo มากกว่า -0.83 V อนุภาคนั้นจะเกิดปฏิกิริยารีดักชันได้ดีกว่าน้ำ ความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของอนุภาคต่าง ๆ เมื่อเปรียบเทียบกับ H2O ให้ดูค่า Eo ออกซิเดชันของน้ำเป็นหลักคือ +1.23 V ถ้าอนุภาคใดมีค่า Eo น้อยกว่า +1.23 V อนุภาคนั้นจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ดีกว่าน้ำ พิจารณาสารละลาย CuSO4 ในน้ำ
รูปภาพที่เกี่ยวข้อง
Size : 15.79 KBs
Upload : 2012-10-29 15:04:55
|
|
ต้องการให้คะแนนบทความนี้่ ?
|
 
สถานะ : ผู้ใช้ทั่วไป
วิทยาศาสตร์
|
|
|
คะแนนโหวด