ประโยชน์ของเซลล์อิเล็กโทรไลต์

          เซลล์อิเล็กโทรไลต์เป็นเซลล์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี  ซึ่งสามารถอาศัยหลักการนี้มาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้  เช่น  การชุบโลหะ  การทำโลหะให้บริสุทธิ์  การถลุงแยกแร่  การแยกสารละลายเกลือด้วยกระแสไฟฟ้า

          การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า (Electroplating)

          การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า  คือ  กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสอย่างหนึ่งที่อาศัยพลังงานไฟฟ้าทำให้ไอออนของโลหะชนิดหนึ่ง กลายเป็นโลหะเคลือบ หรือ เกาะบนโลหะอีกชนิดหนึ่ง  ซึ่งโดยหลักการนี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ เช่น  การป้องกันการผุกร่อนของโลหะบางชนิด  การทำให้โลหะมีความสวยงามและคงทน ฯลฯ   

          หลักทั่วไปในการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า

1. จัดชิ้นงานที่จะชุบต่อเข้ากับขั้วแคโทด (ขั้วลบ)

2. ต้องการชุบด้วยโลหะใด ให้ใช้โลหะนั้นเป็นแอโนด  (ขั้วบวก)

3. สารละลายอิเล็กโทรไลต์ต้องมีไอออนของโลหะที่ใช้เป็นขั้วแอโนด

4. ต้องใช้ไฟฟ้ากระแสตรง และการกำหนดศักย์ไฟฟ้าที่เหมาะสมก็จะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สวยงาม

           ตัวอย่างเช่น  ต้องการชุบสร้อยเงินให้เป็นสร้อยทอง  นำสร้อยเงินต่อเข้ากับขั้วแคโทด  และใช้โลหะทองคำ ต่อเข้ากับขั้วแอโนด  โดยใช้สารละลายที่มีไอออนของทอง  เช่น  Au⁺  ,  Au³⁺  เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์  แล้วต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง โดยปรับค่าศักย์ไฟฟ้าให้เหมาะสม  ก็จะได้สร้อยทองคำที่ทำจาก โลหะเงิน

          ตัวอย่างการชุบชิ้นงานทองแดงโดยใช้ไฟฟ้ากระแสตรง

ภาพที่  1  แสดงการชุบชิ้นงานด้วยทองแดงโดยใช้ไฟฟ้ากระแสตรง
ที่มา : https://sites.google.com/site/cartoon8821/

          จากภาพอธิบายได้ว่า

1. ต่อโลหะเงิน (Ag ) เข้ากับขั้วแอโนด หรือขั้วบวก

2. ต่อชิ้นงานที่จะเคลือบเข้ากับขั้วแคโทด หรือขั้วลบของแบตเตอรี่่

3. ใช้สารละลาย Ag⁺  เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์  เช่น  AgNO₃(aq)

4. ผ่านไฟฟ้ากระแสตรงที่มีศักย์ไฟฟ้าที่เหมาะสมลงไป

          เมื่อผ่านไฟฟ้ากระแสตรงลงไปในเซลล์ดังภาพ  จะพบว่า  อิเล็กตรอนจากแบตเตอรี่่จะเคลื่อนลงไปสู่ขั้วแคโทด ทำให้ที่ขั้วนี้มีปริมาณของอิเล็กตรอนมาก  และ  Ag⁺  ซึ่งเป็นไอออนบวกก็จะเคลื่อนที่เข้ามารับอิเล็กตรอน  เกิดปฏิกิริยารีดักชัน  กลายเป็น โลหะเงิน เกาะ /เคลือบอยู่บนชิ้นงาน  ขณะเดียวกันที่ขั้วแอโนดซึ่งมีโลหะเงินต่ออยู่ก็จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้  Ag⁺  ลงสู่สารละลายเพื่อชดเชยกับ  Ag⁺  ที่ลดลง ทำให้ความเข้มข้นของสารละลายอิเล็กโทรไลต์คงที่  และอิเล็กตรอนที่ขั้วแอโนดไหลเข้าไปที่ขั้วบวก(แคโทด) ของแบตเตอรี่่ ทำให้กระแสไฟฟ้าครบวงจร  ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ขั้วแอโนด และแคโทด เป็นดังนี้

          ที่ขั้วแอโนด ;  Ag(s)  ®  Ag⁺  (aq)  +  e^-

          ที่ขั้วแคโทด  ;  Ag⁺  (aq)  +  e^-  ®  Ag(s)

          การชุบโลหะให้ผิวเรียบและสวยงามนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยต่อไปนี้

1. สารละลายอิเล็กโทรไลต์ต้องมีความเข้มข้นที่เหมาะสม

2. กระแสไฟฟ้าที่ใช้ต้องปรับค่าความต่างศักย์ให้มีความเหมาะสมตามชนิดและขนาดของชิ้นโลหะที่ต้องชุบ

3. โลหะที่ใช้เป็นแอโนดต้องบริสุทธิ์ และถ้าไม่บริสุทธิ์ต้องใช้สารบางชนิดเติมลงไปเพื่อทำปฏิกิริยากับสารที่เป็นมลทินไม่ให้มาเกาะบนผิวโลหะที่นำมาชุบ  เช่น    ในทางอุตสาหกรรมจะใส่สารประกอบไซยาไนด์เพื่อให้ทำปฏิกิริยากับโลหะที่เป็นมลทิน โดยจะ เกิดสารประกอบเชิงซ้อน จึงไม่มารบกวนหรือเกาะบนโลหะที่ต้องการชุบ

4. ไม่ควรชุบนานเกินไป ควรชุบเพียง  2 -3  นาทีเท่านั้น 

          จะพบว่าในกระบวนการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า  จะมี  CN^-  อยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ทั้งนี้เพื่อใช้ทำปฏิกิริยากับไอออนของโลหะเกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อน  ทำให้ความเข้มข้นของโลหะไอออนลดลง  เป็นการป้องกันไม่ให้ไอออนบวกของโลหะเกิดเป็นโลหะเคลือบผิวสารที่ต้องการเร็วเกินไป  ซึ่งจะทำให้โลหะเคลือบได้หยาบไม่เรียบ  หลุดง่าย 

         การทำโลหะให้บริสุทธิ์ด้วยไฟฟ้า  (Electrorefining)

          การทำโลหะให้บริสุทธิ์  เป็นขั้นตอนหนึ่งในกระบวนการถลุงแร่  โดยทั่วไป  โลหะที่ถลุงได้จากแร่มักจะมีมลทินปนอยู่เล็กน้อย  เพื่อทำให้โลหะนี้บริสุทธิ์มากขึ้นจะใช้กระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ที่เรียกว่า Electrorefining ซึ่งมีหลักการดังนี้

1. นำโลหะที่จะทำให้บริสุทธิ์ต่อเข้ากับขั้วแอโนด (ขั้วบวก)

2. ใช้โลหะบริสุทธิ์อีกแท่งหนึ่งต่อเข้ากับขั้วแคโทด (ขั้วลบ)

3. ในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ต้องมีไอออนบวกของโลหะที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์ประกอบอยู่ด้วย

4. ต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง และจัดให้มีศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่เหมาะสม

          ตัวอย่างการทำโลหะทองแดงที่ได้จากการถลุงแร่คาลโคไพไรด์ (CuFeS₂)  ให้บริสุทธิ์ด้วยไฟฟ้า

ภาพที่  2 การทำโลหะทองแดงให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีการอิเล็กโทรลิซิส
ที่มา : https://rawiwanmim.wordpress.com

          การถลุงแร่ทองแดงชื่อว่า  คาลโคไพไรด์ (CuFeS₂) จะได้โลหะทองแดงที่บริสุทธิ์  99 %  เท่านั้น ถ้าต้องการทำให้บริสุทธิ์ขึ้นอีกต้องนำโลหะทองแดงที่ได้นี้ไปผ่านกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส  แยกมลทินในทองแดงออก

          มลทินที่พบในโลหะทองแดงมี  2  ชนิด  คือ

1. โลหะที่ถูกออกซิไดส์ง่าย (พวกนี้มีค่า  E⁰  ต่ำ ) เช่น  Zn  ,  Fe

2. โลหะที่ถูกออกซิไดซ์ยาก (พวกนี้มีค่า  E⁰  สูง ) เช่น  Pt   , Au  ,  Ag

          การจัดเครื่องมือดังภาพ  ต่อ  Cu  ที่ไม่บริสุทธิ์เข้ากับขั้วแอโนด  และ  Cu  บริสุทธิ์เข้ากับขั้วแคโทด   จุ่มขั้วทั้งสองในสารละลายอิเล็กโทรไลต์  CuSO₄   ผสมกับ  H₂SO₄  แล้วต่อให้ครบวงจรกับแบตเตอรี่่ ผ่านไฟฟ้ากระแสตรงที่มีศักย์พอเหมาะลงไป  จะพบว่าเกิดปฏิกิริยาขั้นที่ขั้วแอโนด  และแคโทดดังนี้

          ขั้วแคโทด ;   Cu²⁺ (aq)  +  2e^-   ®  Cu (s)

          ขั้วแอโนด ;    เป็นขั้วที่ต่อกับ  Cu  ไม่บริสุทธิ์ จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันขึ้น  โดยโลหะ  Cu  และพวกที่เป็นมลทิน  เช่น  Zn  ,  Fe  (มีค่า  E⁰  ต่ำ )  จะให้อิเล็กตรอนและเกิดเป็นไอออนบวก คือ  Cu²⁺  ,  Zn²⁺  ,  และ Fe²⁺    ส่วนพวกมลทินที่มี  E⁰  สูง  เช่น  Ag  ,  Pt  ,  Au   จะให้อิเล็กตรอนยาก  จะตกเป็นตะกอนลงที่แอโนด  เรียกตะกอนของโลหะพวกนี้ว่า  Anode  mud 

                   Cu (s)  ®  Cu²⁺ (aq)  +  2e^-

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

                   Fe (s)  ®  Fe²⁺ (aq)  +  2e^-

          ไอออนบวกของโลหะที่เกิดจากแอโนดในสารละลาย  คือ  Zn²⁺  (E⁰  =  -0.76 V)  ,  Fe²⁺ (E⁰  =  -0.41 V)ซึ่งมีค่า  E⁰  ต่ำกว่า  Cu²⁺  (E⁰  =  +0.34 V)  ดังนั้นจึงพบว่า  Cu²⁺  จะเข้าไปรับอิเล็กตรอนและเกิดปฏิกิริยารีดักชันเป็นโลหะ  Cu  ที่แคโทดได้ดีกว่า  Zn²⁺  ,  และ  Fe²⁺  ซึ่งรับอิเล็กตรอนยากกว่าและมีโอกาสเกิดเป็นโลหะที่แคโทดได้น้อย  จึงทำให้โลหะทองแดงที่แยกได้ที่ขั้วแคโทด  มีความบริสุทธิ์  99.95 % 

          H₂SO₄  ที่เติมลงไปจะมีหน้าที่ไปกัดกร่อนให้  Cu  ,  Zn  และ  Fe  เสียอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนเร็วและง่ายขึ้น

แหล่งที่มา

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

ศักย์ไฟฟ้าและปฏิกิริยาของเซลล์

        ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์

        กระแสอิเล็กตรอน ที่เกิดจากเซลล์ไฟฟ้าเคมี  เกิดจากแรงผลักอิเล็กตรอนออกจากขั้วแอโนด  ผ่านวงจรภายนอกไปยังขั้วแคโทด  เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจุดสองจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน  กระแสไฟฟ้าจะไหลจากศักย์ไฟฟ้าสูงไปสู่ศักย์ไฟฟ้าต่ำ  ซึ่งมีทิศทางการไหลสวนทางกับการไหลของอิเล็กตรอน   ความต่างศักย์จะวัดเป็นหน่วยโวลต์  เช่น  แบตเตอรี่มีความต่างศักย์  6 โวลต์  (V)

        ศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วของเซลล์ไฟฟ้าเคมี  เรียกว่า  ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์  (E _cell )  ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไอออนในเซลล์  อุณหภูมิ  และความดันย่อยของก๊าซที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของเซลล์

        ถ้าศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วของเซลล์ไฟฟ้าเคมี (เซลล์กัลวานิก) หาได้จากการใช้แต่ละครึ่งเซลล์ที่มีความเข้มข้นของไอออนมนเซลล์เท่ากับ   1  โมลต่อลิตร  ความดันย่อยของก๊าซที่เกี่ยวข้องเท่ากับ  1  บรรยากาศ และทำที่อุณหภูมิ  25 องศาสเซลเซียส ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์นี้เรียกว่า  ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์มาตรฐาน ()

        การอธิบายศักย์ไฟฟ้าของเซลล์  

        พลังงานที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยารีดอกซ์  ด้วยการเคลื่อนอิเล็กตรอนผ่านวงจรภายนอกจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งของเซลล์ไฟฟ้าเคมี  ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ขึ้น และพลังงานนี้จะมากหรือน้อยขึ้นกับกำลังจากแรงผลักอิเล็กตรอนออกจากขั้วแอโนดและแรงดึงดูดอิเล็กตรอนเข้าขั้วแคโทด  ในปฏิกิริยารีดอกซ์ถ้าเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันให้อิเล็กตรอนอย่างรวดเร็ว และเกิดปฏิกิริยารีดักชัน รับอิเล็กตรอนง่ายและรวดเร็ว ก็จะพบว่าเกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนอย่างรุนแรง ปฏิกิริยารีดอกซ์นี้ก็จะเกิดพลังงานปริมาณมาก  ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ก็จะมากขึ้นด้วย  (กำลังในการผลักและดูดอิเล็กตรอนของปฏิกิริยาในเซลล์ถูกวัดในภาพศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ (E)  เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า  แรงเคลื่อนไฟฟ้า )

          ศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์

        เมื่อนำครึ่งเซลล์  Zn (s) / Zn²⁺ (aq) ,  ครึ่งเซลล์   Cu (s) / Cu²⁺ (aq) และครึ่งเซลล์ Mg (s) / Mg²⁺ (aq) มาต่อเป็นเซลล์กัลวานิกแบบต่าง ๆ และต่อกับแกลวานอมิเตอร์เข้าไปในวงจร  และอ่านค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ได้ดังตารางดังนี้

          จากการทดลองจะเห็นได้ว่าเมื่อใช้ครึ่งเซลล์ต่างกัน ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์จะไม่เท่ากัน  แสดงว่าค่าศักย์ไฟฟ้าของแต่ละครึ่งเซลล์มีค่าไม่เท่ากัน  การวัดค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์  เพื่อหาค่าศักย์ไฟฟ้า จะกระทำโดยตรงไม่ได้ เนื่องจากครึ่งเซลล์ไม่ครบวงจร  แต่ถ้านำครึ่งเซลล์ 2 ครึ่งเซลล์มาต่อกันให้ครบวงจรไฟฟ้าก็จะได้ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์  ซึ่งก็ยังไม่สามารถทราบได้ว่าแต่ละครึ่งเซลล์มีค่าศักย์ไฟฟ้าเท่าใด   ดังนั้นในทางปฏิบัติ จึงหาค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ได้โดยการเปรียบเทียบ  กล่าวคือ ต้องกำหนดให้ครึ่งเซลล์ใดครึ่งเซลล์หนึ่งเป็นครึ่งเซลล์มาตรฐานซึ่งทราบค่าศักย์ไฟฟ้าแน่นอน แล้วจึงนำไปต่อกับครึ่งเซลล์อื่นที่ต้องการหาค่าศักย์ไฟฟ้า (รายละเอียดได้กล่าวไว้ในหัวข้อ การหาค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ แล้ว) 

          การใช้ครึ่งเซลล์มาตรฐานแตกต่างกัน  ก็จะทำให้ได้ค่าศักย์ไฟฟ้าที่แตกต่างกันไปด้วย   ดังนั้น เพื่อไม่ให้เกิดความสับสนนักเคมีจึงได้กำหนดให้ใช้เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานเป็นสากลในการเปรียบเทียบ

          ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard Hydrogen Electrode)

               ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard Hydrogen Electrode , SHE)  เป็นครึ่งเซลล์มาตรฐานสากลที่ใช้เปรียบเทียบหาค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ที่ต้องการ  ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าที่ทำด้วยแพลทินัมแบล็ก (Platinum back)  จุ่มในสารละลายกรด  HCl  เข้มข้น  1  โมล/ลิตร  มีก๊าซ  H₂  ผ่านลงในสารละลายตลอดเวลา  ก๊าซที่ใช้นี้มีความดัน  1  บรรยากาศ (atm)  และแพลทินัมแบล็กที่ใช้เป็นขั้วไฟฟ้าต้องทำให้มีพื้นที่ผิวมาก  มีรูพรุน  เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาได้รวดเร็วขึ้น  และรักษาสมดุลระหว่าง  H₂  และ  H⁺  ในสารละลายดังสมการ  (อุณหภูมิ  25 ⁰C)

        เนื่องจากครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานใช้เป็นสากลในการเปรียบเทียบ  จึงกำหนดค่า  ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ (E⁰ ) เท่ากับ  0.00  โวลต์  และเขียนแผนภาพของครึ่งเซลล์เป็น  Pt (s) / H₂ (1 atm)  / H⁺ ( 1 mol / dm³ )  ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน อาจจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน หรือรีดักชัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับครึ่งเซลล์ที่นำมาต่อด้วยปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น และค่าศักย์ไฟฟ้าแสดงได้ดังนี้

        ก.  ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์

          เมื่อนำครึ่งเซลล์ที่ต้องการทราบค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์มาต่อเข้ากับครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน  ค่าศักย์ไฟฟ้าที่หาได้นั้น จะเรียกว่า ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์    (กำหนดสัญลักษณ์ คือ  E ⁰  )  ถ้าทดลองโดยใช้ครึ่งเซลล์ที่ประกอบด้วยสารละลายเข้มข้น  1  โมลต่อลิตร  และถ้ามีก๊าซเกี่ยวข้องด้วยต้องมีความดัน  1  บรรยากาศ (atm)  ที่อุณหภูมิ  25  องศาเซลเซียส 

        ข.  การหาค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ (E ⁰  )

        การหาค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ในทางปฏิบัติสามารถทำได้ดังนี้

1. นำครึ่งเซลล์ที่ต้องการหาค่า    E ⁰     นั้นมาต่อเป็นเซลล์กัลวานิกกับครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานให้ครบวงจรโดยมีโวลต์มิเตอร์ต่ออยู่ด้วย  แล้วอ่านค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์

2. สังเกตการณ์เบนของเข็มโวลต์มิเตอร์  ขั้วที่เข็มเบนออกจะเป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (ขั้วลบ)  ซึ่งเรียกว่าขั้วแอโนด  และขั้วที่เข็มเบนเข้าหา จะเป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน (ขั้วบวก) ซึ่งเรียกว่าขั้วแคโทด)       

3. กำหนดให้ค่าครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานมีค่า E ⁰    =  0.00  โวลต์

4. นำค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ที่อ่านได้ มาคำนวณหาศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ได้จากสูตร

แหล่งที่มา

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