การแยกสลายด วยไฟฟ า อ ณหภ ม ส ง

เซลล์ไฟฟ้าเคมีและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง

เมื่อ :

วันจันทร์, 05 ตุลาคม 2563

เซลล์อิเล็กโตรไลต์ คือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีชนิดหนึ่งที่ใช้พลังงานไฟฟ้าทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี กล่าวคือ เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในเซลล์ จะทำให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ขึ้นในเซลล์นั้น เซลล์ประเภทนี้จะมีค่า <0(เครื่องหมายติดลบ) และภายในเซลล์จะมีสารอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งสารนี้สามารถจะแตกตัวเป็นไอออนบวก และไอออนลบ และทำให้เกิดนำไฟฟ้าได้

ภาพประกอบบทเรียน เซลล์ไฟฟ้าเคมีและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง ที่มา ดัดแปลงจาก //pixabay.com , Clker-Free-Vector-Images

ส่วนประกอบของเซลล์อิเล็กโทรไลต์

1. ขั้วไฟฟ้า (Electrode) เป็นโลหะหรือแกร์ไฟต์ที่นำไฟฟ้าได้ โดยทั่วไปมักจะใช้ขั้วเฉื่อยในเซลล์หนึ่ง ๆ จำแนกขั้วตามเกณฑ์ต่าง ๆ ดังนี้

การจำขั้วตามสมการการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ก. ขั้วแอโนด (Anode) เป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน

ข. ขั้วแคโทด (Cathode) เป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน

การจำแนกขั้วตามการต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า

ก. ขั้วบวก เป็นขั้วที่ต่อเข้ากับขั้วบวกของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า [ ซึ่งขั้วนี้จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน คือไอออนลบในสารละลายจะให้ อิเล็กตรอนแก่ขั้วไฟฟ้าบวก) ]

ข. ขั้วลบ เป็นขั้วที่ต่อเข้ากับขั้วลบของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า [ ซึ่งขั้วนี้จะเกิดปฏิกิริยารีดักชันเกิดขึ้น คือ ไอออนบวกในสารละลายจะมารับอิเล็กตรอนที่ขั้วนี้ ]

1. สารอิเล็กโตรไลต์ คือ สารที่มีสถานะเป็นของเหลวประกอบด้วยไอออนที่เคลื่อนที่ และนำไฟฟ้าได้ เช่น

กระบวนการอิเล็กโทรลิซิส (Electrolysis)

คือ กระบวนการแยกสารอิเล็กโตรไลต์โดยการผ่านไฟฟ้ากระแสตรงลงไปในสารละลาย อิเล็กโตรไลต์ แล้วทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นที่ขั้วบวก และขั้วลบของเซลล์อิเล็กโทรไลต์นั้น

ลักษณะสำคัญของอิเล็กโทรลิซิส

1. กระแสไฟฟ้าที่ใช้ผ่านลงไปในเซลล์ ต้องเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (D.C.) คือ กระแสอิเล็กตรอน
2. ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์
3. ขั้วไฟฟ้าที่ใช้ในเซลล์นี้นิยมใช้ขั้วเฉื่อย เพราะถ้าใช้ขั้วว่องไว ขั้วอาจจะมีส่วนร่วมในการเกิดปฏิกิริยาเคมีก็ได้

ประโยชน์ของกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส

ก. การแยกสารประกออบไอออนิกหลอมเหลวด้วยไฟฟ้า เช่น เกลือ NaCl เมื่อถูกทำให้หลอมเหลว จะเกิดเป็นไอออนบวก และไอออนลบ ซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าลงไป จะทำให้ ไอออนบวกเคลื่อนที่เข้าหาขั้วลบ เพื่อเข้าไปรับอิเล็กตรอนหรือเกิดปฏิกิริยารีดักชัน ส่วนไอออนลบ จะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วบวก เพื่อจ่ายอิเล็กตรอน หรือเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน

ข. การแยกสารละลายอิเล็กโตรไลต์ด้วยไฟฟ้า

สารละลายอิเล็กโตรไลต์จะประกอบด้วยตัวถูกละลายชนิดต่าง ๆ ที่เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ และ น้ำ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวทำละลาย เช่น สารละลายของ NaCl (aq) จะมี ไอออนบวกคือ Na+ (aq) และไอออนลบ คือ Cl- (aq) ซึ่งไอออนทั้งสองถูกน้ำล้อมรอบอยู่ (aq = aqueous มีน้ำล้อมรอบ) ดังนั้น ในสารละลายนี้จึงมีองค์ประกอบ 3 ชนิด ได้แก่ น้ำ (ตัวทำละลาย) , Na+ (aq) และ Cl- (aq) (ตัวถูกละลาย)

การแยกสารละลายอิเล็กโตรไลต์ด้วยไฟฟ้า ที่เกิดขึ้นคือ น้ำและไอออนลบของตัวถูกละลายจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วบวก เพื่อไปให้อิเล็กตรอน เกิด ปฏิกิริยาออกซิเดชัน ซึ่งสารใดจะเป็นตัวให้อิเล็กตรอนหรือเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน พิจารณาจากค่า E0 ถ้ามีค่า E0 ต่ำ สารนั้นจะเป็นตัวเกิด ปฏิกิริยาออกซิเดชัน คือ เกิดการให้อิเล็กตรอนที่ขั้วบวกนั้นได้ดีกว่า ที่เหลือก็ไม่เกิดปฏิกิริยาใด ๆ

ส่วนน้ำและไอออนบวกของตัวถูกละลาย จะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วบวก ไปรับอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิริยารีดักชัน ในทำนองเดียวกัน สารใดจะสามารถรับอิเล็กตรอนได้ก็ให้พิจารณาจากค่า E0 โดยถ้ามีค่า E0 สูงกว่าสารนั้นก็จะสามารถรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่า สารที่เหลือก็จะไม่เกิดปฏิกิริยา

ตัวอย่างอิเล็กโทรลิซิส

1. การแยกเกลือ NaCl หลอมเหลวด้วยไฟฟ้า

ภาพอิเล็กโทรลิซิสโซเดียมคลอไรด์ที่หลอมเหลว ที่มา : //il.mahidol.ac.th/e-media/electrochemistry/web/electrolysis.htm

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

ดังนั้นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นคือ

ที่ขั้วแอโนด เกิด Cl2 ที่ขั้วแคโทด เกิด Na (s)

ในอุตสาหกรรมเตรียมโซเดียม ก็ใช้วิธีการอิเล็กโทรลิซิสโซเดียมคลอไรด์หลอมเหลว โดยใช้เซลล์

อิเล็กโตรไลต์ที่สร้างขึ้นเฉพาะ เรียกว่า Downs cell ดังรูปที่ 2

ภาพ เซลล์อิเล็กโตรไลต์เฉพาะ เรียกว่า Downs cell ที่มา : //corrosion-doctors.org/Electrowinning/Sodium.htm

1. การแยกสารละลายโซเดียมซัลเฟตด้วยไฟฟ้า

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอธิบายได้ดังนี้

ที่ขั้วแอโนด (ขั้วบวก) โมเลกุลของน้ำและ S2O82- เคลื่อนที่เข้าไปให้อิเล็กตรอน สารใดจะสามารถให้ได้พิจารณาจากค่า E0 ดังนี้

S2O82- (aq) + 2e- > 2SO42- (aq) E0 = +2.01 V …………… (1)

O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- > 2H2O (l) E0 = +1.23 V …………… (2)

จากการพิจารณาค่า E0 พบว่า E0 ของปฏิกิริยาในสมการ (2) ต่ำกว่าปฏิกิริยาในสมการ (1) แสดงว่า เกิดสารตามสมการที่ (2) ได้ง่ายกว่าเกิดสารในสมการที่ (1) ดังนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ขั้วบวก หรือขั้วแอโนดคือ

2H2O (l) > O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- E0 = -1.23 V …………… (3)

ที่ขั้วแคโทด (ขั้วลบ)

โมเลกุลของน้ำและ Na+ เคลื่อนที่เข้าไปรับอิเล็กตรอน สารใดจะสามารถรับอิเล็กตรอนได้พิจารณาจากค่า E0 ดังนี้

Na+ (aq) + e- > Na (s) E0 = -2.71 V …………… (4)

2H2O (l) + 2e- > H2 (g) + 2OH- (aq) E0 = -0.83 V …………… (5)

จากการพิจารณาค่า E0 พบว่า E0 ของปฏิกิริยาในสมการ (5) สูงกว่าปฏิกิริยาในสมการ (4) แสดงว่า เกิดสารตามสมการที่ (5) ได้ง่ายกว่าเกิดสารในสมการที่ (4) ดังนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ขั้วบวก หรือขั้วแอโนดคือ

2H2O (l) + 2e- > H2 (g) + 2OH- (aq) E0 = -0.83 V …………… (6)

(5) x 2 ; 4H2O (l) + 4e- > 2H2 (g) + 4OH- (aq) E0 = -0.83 V …………… (6)

นำสมการที่ (3) + (6) จะได้

4H2O (l) + 2H2O (l) >2H2 (g) + O2 (g) + 4OH- (aq) + 4H+ (aq)

6H2O (l) >2H2 (g) + O2 (g) + 4H2O (l) E0 รวม = (-0.83)+(-1.23) = -2.06 V

2H2O (l) >2H2 (g) + O2 (g) E0 รวม = -2.06 V

เพราะฉะนั้นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

ที่ขั้วแคโทด เกิด ก๊าซไฮโดรเจน ที่ขั้วแอโนด เกิดก๊าซออกซิเจน

แหล่งที่มา

แฟรงค์ เดวิด วี. (2547). ชุดสำรวจโลกวิทยาศาสตร์องค์ประกอบพื้นฐานทางเคมี. กรุงเทพฯ: เพียร์สัน เอ็ดดูเคชัน อินโดไชน่า.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.). (2551).หนังสือเรียนเคมีพื้นฐานและเพิ่มเติม ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4-6 เล่ม 4 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พ.ศ. 2551. กรุงเทพฯ : คุรุสภาลาดพร้าว.