ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
เคมี
บทเรียนเคมี
ตารางธาตุ
ศัพท์เคมี
แบบฝึกหัดเคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกเคมี | บทเรียนเคมี

บทเรียนเคมี
   

ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี 2 : ประโยชน์ของเซลล์กัลวานิก
 
ระดับชั้น : มัธยม 6

ประโยชน์ของเซลล์
กัลวานิก
ประโยชน์ของเซลล์
อิเล็กโทรไลต์
การผุกร่อนของโลหะและ
การป้องกัน
ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี
ที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี
การศึกษาปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีช่วยให้ทราบว่า ปฏิกิริยาเคมีทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ และในทางตรงกันข้าม กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีได้ ทั้งสองประการนี้เป็นหลักการของเซลล์กัลวานิกและเซลล์อิเล็กโทรไลต์ตามลำดับ ในเรื่องนี้จึงจะกล่าวถึงประโยชน์ของเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่นำมาประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวัน


เซลล์กัลวานิกอาจแบ่งได้เป็น 2 ชนิด ชนิดแรกเมื่อปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์เกิดขึ้นและดำเนินไปแล้ว ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ และทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับอีกไม่ได้ หรือนำมาอัดไฟใหม่ไม่ได้ เซลล์ชนิดนี้เรียกว่า เซลล์ปฐมภูมิ อีกชนิดหนึ่งเป็นเซลล์ที่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ โดยการอัดไฟเข้าไปใหม่ เรียกว่า เซลล์ทุติยภูมิ

เซลล์ปฐมภูมิ

เซลล์ปฐมภูมิ มีหลายรูปแบบตามลักษณะการใช้งาน แต่อาศัยหลักการเดียวกัน ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

ถ่านไฟฉาย เป็นเซลล์ปฐมภูมิที่ได้ดัดแปลงให้มีขนาดเล็ก จึงสะดวกในการนำไปใช้ เพราะไม่ได้ใช้ของเหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์ เซลล์ประเภทนี้เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า "เซลล์แห้ง" หรือ "เซลล์เลอคลังเช"

ถ้าแกะถ่านไฟฉายออกดูจะพบส่วนประกอบภายในของถ่านไฟฉายดังรูป คือมีแท่งคาร์บอนหรือแกรไฟต์อยู่ตรงกลาง ทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้า รอบๆ แท่งคาร์บอนมีของผสมชื้น ซึ่งประกอบด้วยผงคาร์บอน ซิงค์คลอไรด์ แอมโมเนียมคลอไรด์ แมงกานีส (IV) ออกไซด์ และกาว ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ สารทั้งหมดนี้บรรจุอยู่ในกล่องสังกะสีซึ่งใช้เป็นขั้วไฟฟ้าอีกขั้วหนึ่ง ด้านนอกของกล่องอาจเคลือบด้วยสี หรือหุ้มด้วยกระดาษแข็งอีกชั้นหนึ่ง และปิดปากกล่องด้วยยางมะตอยเพื่อกันความชื้น

ส่วนประกอบของถ่านไฟฉาย

เมื่อต่อถ่านไฟฉายให้ครบวงจร จะเกิดการเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์ดังนี้
ที่ขั้วสังกะสี : โลหะสังกะสีจะเสียอิเล็กตรอน ดังสมการ

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

อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากสังกะสีผ่านตัวนำไปยังขั้วคาร์บอน

ที่ขั้วคาร์บอน : NH4+ (จาก NH4Cl) และ Mn2O3(s) + 2NH3(g) + H2O(l)

เขียนปฏิกิริยารวมได้ดังนี้

Zn(s) + 2NH4+(aq) + 2MnO2(s) Zn2+(aq) + Mn2O3(s) + 2NH3(g) + H2O(l)

ก๊าซ NH3 ที่เกิดขึ้นจะรวมตัวกับ Zn2+ เกิดเป็นไอออนเชิงซ้อนของ [Zn(NH3)4]2+ และ [Zn(NH3]2(H2O)2]2+ การเกิดไอออนเชิงซ้อนจะช่วยรักษาความเข้มข้นของ Zn2+ ไม่ให้สูงขึ้น จึงทำให้ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เกือบคงที่เป็นเวลานานพอสมควร

โดยทั่วไป เซลล์ปฐมภูมิชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ แต่เมื่อใช้ไปนานๆ ความต่างศักย์ระหว่างขั้วจะลดลง จนในที่สุดเมื่อเซลล์เสื่อมสภาพหรือเรียกว่าถ่านหมด กระแสไฟฟ้าจะหยุดไหล ขณะนี้เซลล์จะมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ เมื่อพิจารณาปฏิกิริยาที่กล่าวมาแล้วจะพบว่ามีน้ำเป็นผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นด้วย ถ่านไฟฉายที่เสื่อมสภาพจึงบวมและมีน้ำไหลออกมา

เซลล์แอลคาไลน์ อาศัยหลักการเช่นเดียวกับถ่านไฟฉาย แต่ใช้สารละลายเบสเป็นอิเล็กโทรไลต์ จึงมีชื่อว่าเซลล์แอลคาไลน์ เซลล์ชนิดนี้ใช้สารละลาย KOH แทนสารละลาย NH4Cl โดยที่ส่วนประกอบอื่นยังคงเหมือนถ่านไฟฉาย และปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เป็นดังนี้

ที่ขั้วสังกะสี : โลหะสังกะสีทำปฏิกิริยากับไฮดรอกไซด์ไอออน ดังสมการ

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

ที่ขั้วคาร์บอน : น้ำและแมงกานีส (IV) ออกไซด์รับอิเล็กตรอนเกิดปฏิกิริยา ดังสมการ

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

สมการรวม Zn(s) + 2MnO2(s) ZnO(s) + Mn2O3(s)

เซลล์ชนิดนี้ให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ แต่ให้กระแสไฟฟ้าได้มากกว่าและนานกว่าถ่านไฟฉาย เนื่องจากที่ขั้วคาร์บอนเกิดไฮดรอกไซด์ไอออน ซึ่งนำกลับไปใช้ที่ขั้วสังกะสีได้อีก


เซลล์ปรอท อาศัยหลักการเดียวกับเซลล์แอลคาไลน์ แต่ใช้เมอร์คิวรี (II) ออกไซด์แทนแมงกานีส (IV) ออกไซด์ เซลล์ชนิดนี้มีขนาดเล็ก ใช้กันมากในเครื่องฟังเสียงสำหรับคนหูพิการ หรือใช้ในอุปกรณ์อื่นๆ เช่น เกมส์กด นาฬิกาข้อมือ เครื่องคิดเลข กล้องถ่ายรูป

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์ปรอทเป็นดังนี้

ที่แอโนด : สังกะสีและไฮดรอกไซด์ไอออนเกิดปฏิกิริยาให้อิเล็กตรอน ดังสมการ

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

ที่แคโทด : เมอร์คิวรี (II) ออกไซด์และน้ำรับอิเล็กตรอนเกิดปฏิกิริยา ดังสมการ

HgO(s) + H2O(l) + 2e- Hg(l) + 2OH-(aq)

สมการรวม Zn(s) + HgO(s) ZnO(s) + Hg(l)

เซลล์ชนิดนี้ให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.3 โวลต์ ให้กระแสไฟฟ้าต่ำ แต่มีข้อได้เปรียบคือ สามารถให้ค่าศักย์ไฟฟ้าเกือบคงที่ตลอดอายุการใช้งาน

เซลล์เงิน มีส่วนประกอบเช่นเดียวกับเซลล์ปรอท แต่ใช้สารประกอบซิลเวอร์ออกไซด์แทนเมอร์คิวรี (II) ออกไซด์

เขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ได้ดังนี้

ที่แอโนด : Zn(s) + 2OH-(aq) ZnO(s) + H2O(l) + 2e-
ที่แคโทด : Ag2O(s) + H2O(l) + 2e- 2Ag(s) + 2OH-(aq)

สมการรวม Zn(s) + Ag2O(s) ZnO(s) + 2Ag(s)

เซลล์เงินให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ มีขนาดเล็ก แต่ราคาแพง

เซลล์ทุติยภูมิ

เนื่องจากเซลล์ปฐมภูมิมีข้อจำกัดคือ เมื่อจ่ายไฟหมดแล้วไม่สามารถนำมาอัดไฟใหม่ได้อีก จึงมีผู้คิดสร้างเซลล์ไฟฟ้าชนิดที่เมื่อจ่ายไฟหมดแล้วสามารถนำกลับมาอัดไฟใช้ใหม่ได้ ซึ่งเรียกว่า เซลล์ทุติยภูมิ ตัวอย่างเซลล์ทุติยภูมิที่พบอยู่เสมอ เช่น เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วและเซลล์นิเกิล-แคดเมียม

เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เป็นเซลล์ทุติยภูมิที่ใช้กันมาก เช่น เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าในรถยนต์ที่เรียกว่า แบตเตอรี่ การสร้างเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วทำได้โดยจุ่มแผ่นตะกั่วสองแผ่นลงในสารละลายกรด H2SO4 แล้วต่อเข้ากับแบตเตอรี่ อิเล็กตรอนจากขั้วลบของแบตเตอรี่จะเคลื่อนที่ไปยังขั้ว B ไฮโดรเจนไอออนในสารละลายจะรับอิเล็กตรอนได้เป็นก๊าซไฮโดรเจนเกิดขึ้นที่ขั้วนั้น โดยแผ่นตะกั่วที่เป็นขั้ว B ไม่มีการเปลี่ยนแปลง ส่วนที่ขั้ว A ซึ่งต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่ แผ่นตะกั่วส่วนที่จุ่มอยู่ในสารละลายจะถูกออกซิไดซ์เป็น PbO2 ซึ่งมีสีน้ำตาลเข้มเกาะอยู่บนแผ่นตะกั่ว การทำเช่นนี้เรียกว่า การอัดไฟครั้งแรกของเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

การต่อเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

เมื่อนำเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วซึ่งอัดไฟแล้วไปต่อกับหลอดไฟตามรูป ก. อีกครั้งหนึ่ง จะเห็นว่าหลอดไฟสว่าง เราเรียกว่าเป็นการจ่ายไฟ ซึ่งจะเกิดการเปลี่ยนแปลงดังนี้

ที่ขั้ว A PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O(l)

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

ขณะที่เซลล์จ่ายกระแสไฟฟ้า ที่ขั้ว A และขั้ว B จะมี PbSO4 เกิดเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดทั้งสองขั้วมีแต่ PbSO4 เหมือนกัน แบตเตอรี่จะไม่สามารถจ่ายไฟต่อไปได้อีก เมื่อนำไปอัดไฟอีกครั้ง ที่ขั้ว A และขั้ว B จะเกิดการเปลี่ยนแปลงในทิศทางตรงข้ามกับการจ่ายไฟดังนี้

ที่ขั้ว A PbSO4(s) + 2H2O(l) PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e-

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

เซลล์ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 2 โวลต์ เมื่อนำหลายๆ เซลล์มาต่อกันแบบอนุกรม ก็จะได้แบตเตอรี่ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้น เช่น แบตเตอรี่รถยนต์ ซึ่งมีจำนวนเซลล์ต่ออนุกรมกัน 6 เซลล์ จะมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ 12 โวลต์

เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วเมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าหมดแล้ว สามารถนำไปอัดไฟได้อีก หลายคนอาจคิดว่าแบตเตอรี่ที่ใช้กับรถยนต์ควรใช้ได้ตลอดไป แต่ความเป็นจริงแบตเตอรี่จะมีอายุการใช้งานระยะหนึ่งเท่านั้น ทั้งนี้เนื่องจาก PbSO4 ที่เกิดขึ้นขณะจ่ายไฟอาจหลุดออกมา แผ่นตะกั่วตกอยู่ที่ก้นภาชนะ ทำให้แผ่นตะกั่วสึกกร่อนไปเรื่อยๆ และแบตเตอรี่จะเสื่อมสภาพในที่สุด


เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม ปัจจุบันมีเซลล์ทุติยภูมิที่ได้รับความสนใจมากอีกชนิดหนึ่งคือ เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม หรือเซลล์นิแคด ซึ่งมีโลหะแคดเมียมเป็นแอโนด นิกเกิล (IV) ออกไซด์เป็นแคโทด และมีสารละลายเบสเป็นอิเล็กโทรไลต์ ปฏิกิริยาเกิดขึ้นดังนี้

ที่แอโนด : Cd(s) + 2OH-(aq) Cd(OH)2(s) + 2e-

ที่แคโทด : NiO2(s) + 2H2O(l) Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)

เซลล์นิแคดให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.4 โวลต์ และมีขนาดเล็ก สามารถอัดไฟใหม่ได้ และใช้ได้ทนทานกว่าเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว จึงนิยมใช้ในเครื่องไฟฟ้าที่มีขนาดเล็ก เช่น เครื่องโกนหนวด เครื่องคิดเลข กล้องถ่ายรูป


ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนวิชาเคมี เล่ม 6 ว035 หลักสูตรมัธยมศึกษาตอนปลาย พุทธศักราช 2524 (ฉบับปรับปรุง พ.ศ.2533) กระทรวงศึกษาธิการ.
จำนวนคนอ่าน 48240 คน
   
 

© 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved