ประโยชน์ของเซลล์อิเล็กโทรไลต์

การชุบโลหะด้วยกระแสไฟฟ้า มีหลักการดังนี้


1. โลหะที่จะใช้ในการชุบต้องเป็นแอโนด หรือขั้วบวก

2. ของที่ต้องการชุบต้องเป็นแคโทด หรือขั้วลบ

3. สารละลายอิเล็กโทรไลต์จะต้องมีไอออนของโลหะชนิดเดียวกับโลหะที่จะใช้ชุบ หรือเป็นไอออนของโลหะชนิดเดียวกับโลหะที่เป็นแอโนด หรือขั้วบวก

4. การชุบโลหะต้องใช้ไฟฟ้ากระแสตรง เพราะต้องการให้อิเล็กตรอนไหลไปทางเดียวตลอดเวลา
การทำทองแดงให้บริสุทธิ์ โดยปกติทองแดงที่ได้จากการถลุงสินแร่จะมีความบริสุทธิ์ไม่เกินร้อยละ 99 ที่เหลือเป็นสิ่งเจือปนได้แก่ เหล็ก เงิน ทองแดง แพลทินัม และสังกะสี จึงเป็นผลให้ทองแดงนำไฟฟ้าลดลง เราสามารถทำให้ทองแดงบริสุทธิ์โดยใช้เซลล์อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งประกอบด้วยสารละลาย CuSO4 เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ใช้ขั้วทองแดงที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์เป็นแอโนด และควรใช้โลหะทองแดงที่บริสุทธิ์เป็นแคโทด ในการอิเล็กโทรลิซีสจะต้องปรับศักย์ไฟฟ้าให้พอเหมาะ คือ ปรับให้เฉพาะทองแดงและโลหะอื่น ๆ ที่ให้อิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าทองแดงละลายลงสู่สารละลายในรูปของไอออน ส่วนโลหะอื่นซึ่งให้อิเล็กตรอนได้ยากกว่าทองแดงจะตกลงที่ก้นภาชนะเกิดเป็นตะกอนที่มีลักษณะคล้ายโคลน ซึ่งอาจแยกออกมาขายหรือทำให้บริสุทธิ์ต่อไป Cu2+ ที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วแคโทด แล้วถูกรีดิวซ์กลายเป็น Cu เคลือบอยู่ที่ขั้วแคโทด ส่วนไอออนของโลหะอื่น ๆ ซึ่งเป็นสิ่งเจือปนที่ละลายอยู่ในสารละลายจะไม่ถูกรีดิวซ์ การทำทองแดงให้บริสุทธิ์โดยวิธีนี้จะได้ทองแดงที่มีความบริสุทธิ์ถึง 99.95%

การผลิตโลหะอะลูมิเนียม ถ้าใช้วิธีการถลุงสินแร่ด้วยความร้อนจะเสียค่าใช้จ่ายสูงมาก เนื่องจากหาตัวรีดิวซ์ที่เหมาะสมได้ยากและสินแร่บอกไซด์มีจุดหลอมเหลวสูงกว่า 2000°C แต่ถ้าผสมสินแร่บอกไซด์กับสินแร่ไครโอไลต์ ของผสมนี้จะมีจุดหลอมเหลวต่ำลงและนำไฟฟ้าได้ จึงสามารถใช้กระบวนการอิเล็กโทรลิซีสแยกโลหะอะลูมิเนียมออกมาได้ แต่การผลิตโลหะอะลูมิเนียมด้วยวิธีนี้ยังคงมีค่าใช้จ่ายสูง ดังนั้นโลหะอะลูมิเนียมส่วนใหญ่ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันจึงผลิตจากการนำเศษวัสดุหรือภาชนะอะลูมิเนียมที่ไม่ใช้แล้วกลับมาหลอมใช้ใหม่



การผลิตโลหะแมกนีเซียม แหล่งโลหะแมกนีเซียมที่สำคัญ คือ น้ำทะเลซึ่งอยู่ในรูปของ Mg2+ เมื่อนำน้ำทะเลมาทำให้เป็นเบสจะได้ตะกอนของ Mg(OH)2 แล้วนำมาทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริก และทำให้แห้งจะได้ MgCl2 ที่เป็นของแข็ง เมื่อให้ความร้อนจน MgCl2 หลอมเหลวแล้วผ่านกระแสไฟฟ้าลงไปจะได้โลหะแมกนีเซียม เกาะที่แคโทด และได้ก๊าซคลอรีนที่แอโนด

ไฟฟ้าเคมี

ไฟฟ้าเคมี (ElectroChemistry)

ไฟฟ้าเคมี เป็นการศึกษาเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีหากใช้การถ่ายเทอิเล็กตรอนเป็นเกณฑ์แล้ว ปฏิกิริยาเคมีแบ่งเป็น 2 ประเภท

1. ปฏิกิริยาที่มีการถ่ายเท e- เรียกว่าปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox Reaction)
2. ปฏิกิริยาที่ไม่มีการถ่ายเท e- เรียกว่าปฏิกิริยานอนรีดอกซ์ (Nonredox Reaction)

ปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox Reaction หรือ Oxidation-reduction Reaction)

ปฏิกิริยารีดอกซ์ หมายถึง ปฏิกิริยาที่เกี่ยวกับการถ่ายเท e-

ตัวอย่าง เมื่อนำแผ่นโลหะทองแดง (Cu) จุ่มลงในสารละลายของ AgNO3 พบว่าที่แผ่นโลหะ Cu มีของแข็งสีขาวปนเทามาเกาะอยู่ และเมื่อนำมาเคาะจะพบว่าโลหะ Cu เกิดการสึกกร่อน ส่วนสีของสารละลาย AgNO3 ก็จะเปลี่ยนจากใสไม่มีสีเป็นสีฟ้า
การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นนี้อธิบายได้ว่าการที่โลหะทองแดงเกิด การสึกกร่อนเป็นเพราะโลหะทองแดง(Cu) เกิดการเสียอิเล็กตรอนกลายเป็น Cu2+ ซึ่งมีสีฟ้าและเมื่อ Ag+ รับอิเล็กตรอนเข้ามาจะกลายเป็น Ag (โลหะเงิน) มาเกาะอยู่ที่แผ่นโลหะทองแดง

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น เขียนในรูปสมการได้ดังนี้

Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (ปฏิกิริยาออกซิเดชัน)

Ag+(aq) + e- Ag(s) (ปฏิกิริยารีดักชัน)

e- ที่ถ่ายเทต้องเท่ากัน สมการเคมีที่เกิดขึ้นที่แท้จริงต้องเป็น

Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e- (ปฏิกิริยาออกซิเดชัน)

2Ag+(aq) +2 e- 2Ag(s) (ปฏิกิริยารีดักชัน)

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในแต่ละสมการเรียกว่าครึ่งปฏิกิริยา ซึ่งการเกิดปฏิกิริยาถ่ายเท e- จะเกิดขึ้นได้สมบูรณ์ก็ต่อเมื่อต้องนำครึ่งปฏิกิริยาทั้งสองมารวมกัน เขียนเป็นสมการได้ดังนี้

Cu(s) + Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s) (ปฏิกิริยารีดอกซ์)

สรุปได้ว่าการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์จะต้องประกอบไปด้วย

1. สารที่ให้ e- เรียกว่าตัวรีดิวซ์ เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation Reaction)

2. สารที่รับ e- เรียกว่าตัวออกซิไดซ์ เกิดปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction Reaction)

ประโยชน์ของค่า E°reduction


1. ใช้เปรียบเทียบความสามารถในการเป็นตัวรีดิวซ์และตัวออกซิไดซ์
Ä สารที่ให้ e- ได้ดี E° ต่ำ , สารที่รับ e- ได้ดี E° สูง
เช่น Zn2+(aq) + 2 e- Zn(s) E° = - 0.76 Volt
Ag+(aq) + e- Ag(s) E° = 0.80 Volt
พิจารณา Eo Zn2+ < Eo Ag+
ตัวรีดิวซ์ : Zn > Ag
ตัวออกซิไดซ์ : Ag+ > Zn2+
2. ใช้คำนวณค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์และครึ่งเซลล์
อาศัยหลัก E°Cell = E°คาโนด - E°อาโนด E°
= E°ขั้วบวก - E°ขั้วลบ
= E°สูง - E°ต่ำ
ประโยชน์ของค่า E°Cell

E°Cell > 0 ปฏิกิริยาเกิดได้
E°Cell < 0 ปฏิกิริยาเกิดไม่ได้ (เกิดในทิศตรงข้าม)
E°Cell = 0 ปฏิกิริยาเกิดไม่ได้แน่นอน

ตัวอย่างการคำนวณศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์

EX. เมื่อนำครึ่งเซลล์ของ Ag
Ag+ ต่อกับครึ่งเซลล์ของ Pt
H2
H+ พบว่าเข็มของโวลต์มิเตอร์เบนหาขั้ว Ag และอ่านค่าได้ 0.80 Volt ให้หาค่า E° ของ Ag+ + e- Ag

วิธีทำ จากการที่เข็มโวลต์เบนเข้าหาขั้ว Ag

แสดงว่า Ag
Ag+ รับ e-
Pt
H2
H+ ให้ e-
จาก E°Cell = E°คาโทด - E°อาโนด
0.80 = Eo Ag - Eo H2
0.80 = Eo Ag – 0
ดังนั้น Eo Ag = 0.80 Volt
นั่นหมายความว่า Ag+ + e- Ag E° = 0.80 Volt