วีชาเคมี เรื่อง ไฟฟ้าเคมี

ประเภทเซลล์กัลวานิก

เซลล์กัลวานิกแบ่งตามลักษณะของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้เป็น  2  ประเภท คือ

1. เซลล์ปฐมภูมิ (Primary cell) เป็นเซลล์กัลวานิกที่ปฏิกิริยาภายในเซลล์เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์แล้วไม่สามารถเปลี่ยนผลิตภัณฑ์กลับมาเป็นสารตั้งต้นได้ จึงไม่สามารถนำกลับมาใช้ได้อีก เช่น ถ่านไฟฉาน  เซลล์อัลคาไลน์  เซลล์ปรอท  เซลล์เงิน

2. เซลล์ทุติยภูมิ (Secondary cell) เป็นเซลล์กัลวานิกที่นำไปใช้แล้วสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับโดยการอัดไฟหรือประจุไฟ จึงนำกลับมาใช้ใหม่ได้อีก เช่น เซลล์ไฟฟ้าแบบตะกั่ว เซลล์นิเกิล–แคดเมียม

เซลล์ปฐมภูมิมีหลายชนิด เช่น

1. เซลล์แห้ง (Dry Cell) หรือเซลล์เลอคลังเช (LeClanche Cell)

          เซลล์ไฟฟ้าชนิดนี้ถูกเรียกว่า เซลล์แห้ง เพราะไม่ได้ใช้ของเหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์ เป็นเซลล์ที่ใช้ในไฟฉาย หรือใช้ในประโยชน์อื่น ๆ เช่น ในวิทยุ เครื่องคิดเลข ฯลฯ ซึ่งมีลักษณะตามรูป

ส่วนประกอบของเซลล์แห้ง

          กล่องของเซลล์ทำด้วยโลหะสังกะสีซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วแอโนด (ขั้วลบ) ส่วนแท่งคาร์บอนหรือแกรไฟต์อยู่ตรงกลางทำหน้าที่เป็นขั้วแคโทด (ขั้วบวก) ระหว่างอิเล็กโตรดทั้งสองบรรจุด้วยของผสมชื้นของแอมโมเนียมคลอไรด์ (NH₄Cl) แมงกานีส (IV) ออกไซด์ (MnO₂) ซิงค์คลอไรด์ (ZnCl₂) ผงคาร์บอน ตอนบนของเซลล์ผนึกด้วยวัสดุที่สามารถรักษาความชื้นภายในเซลล์ให้คงที่ มีปฏิกิริยาเกิดขึ้นดังนี้
  ที่ขั้วแอโนด (Zn-ขั้วลบ) Zn ถูกออกซิไดซ์กลายเป็น Zn²⁺

Zn(s) Zn²⁺(aq) + 2e^–

          ที่ขั้วแคโทด (C-ขั้วบวก) MnO₂จะถูกรีดิวซ์ ไปเป็น Mn₂O₃

2MnO₂(s) + 2NH₄⁺+(aq) + 2e^– Mn₂O₃(s) + H₄O(l)

          ดังนั้นปฏิกิริยารวมจึงเป็น

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

          แก๊ส NH₃ ที่เกิดขึ้นจะเข้าทำปฏิกิริยากับ Zn²⁺ เกิดเป็นไอออนเชิงซ้อนของ [Zn(NH₃)₄]²⁺ และ [Zn(NH₃)₂(H₂O)₂]²⁺การเกิดไอออนเชิงซ้อนนี้จะช่วยรักษาความเข้มข้นของ Zn²⁺ ไม่ให้สูงขึ้น จึงทำให้ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เกือบคงที่เป็นเวลานานพอสมควร จากปฏิกิริยารวมจะสังเกตว่ามีน้ำเป็นผลิตภัณฑ์ด้วย ดังนั้นเซลล์ที่เสื่อมสภาพจึงบวมและมีน้ำไหลออกมา และเซลล์แห้งนี้จะให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์

2. เซลล์แอลคาไลน์ (Alkaline Cell)

          เซลล์แอลคาไลน์มีส่วนประกอบของเซลล์เหมือนกับเซลล์เลอคลังเช แต่มีสิ่งที่แตกต่างกันคือเซลล์แอลคาไลน์ใช้เบสซึ่งได้แก่โพแตสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) เป็นอิเล็กโทรไลต์แทนแอมโมเนียมคลอไรด์ (NH₄Cl) และเนื่องจากใช้สารละลายเบสนี่เองเซลล์ชนิดนี้จึงถูกเรียกว่า เซลล์แอลคาไลน์

          ที่ขั้วแอโนด (Zn-ขั้วลบ)   Zn ถูกออกซิไดซ์

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

          ที่ขั้วแคโทด (C-ขั้วบวก)   MnO₂จะถูกรีดิวซ์ ไปเป็น Mn₂O₃

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

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

          เซลล์นี้จะให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ แต่ให้กระแสไฟฟ้าได้มากกว่าและนานกว่าเซลล์แห้ง เพราะ OH^– ที่เกิดขึ้นที่ขั้วคาร์บอนสามารถนำกลับไปใช้ที่ขั้วสังกะสีได้

3. เซลล์ปรอท (Mercury Cell)

          มีหลักการเช่นเดียวกับเซลล์แอลคาไลน์ แต่ใช้เมอร์คิวรี (II) ออกไซด์ (HgO) แทนแมงกานีส (IV) ออกไซด์ (MnO₂) เป็นเซลล์ที่มีขนาดเล็กใช้กันมากในเครื่องฟังเสียงสำหรับคนหูพิการ หรือใช้ในอุปกรณ์อื่น เช่น นาฬิกาข้อมือ เครื่องคิดเลข เซลล์นี้จะให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.3 โวลต์ ให้กระแสไฟฟ้าต่ำ แต่สามารถให้ค่าศักย์ไฟฟ้าคงที่ตลอดอายุการใช้งาน มีปฏิกิริยาเคมีดังนี้

          ที่ขั้วแอโนด            Zn(s) + 2OH^–(aq) ZnO(s) + H₂O(l) + 2e^–

          ที่ขั้วแคโทด           HgO(s) + H₂O(l) + 2e^– Hg(l) + 2OH^–(aq)

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

เซลล์ทุติยภูมิ เช่น

แบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว (Lead Storage Battery)

แบตเตอรี่คือเซลล์ไฟฟ้าหลาย ๆ เซลล์ต่อกันเป็นอนุกรม แบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วนี้เป็นแบตเตอรีที่ใช้ในรถยนต์ โดยประกอบด้วยเซลล์ไฟฟ้า 6 เซลล์ แต่ละเซลล์จะมีศักย์ไฟฟ้า 2 โวลต์ ดังนั้นแบตเตอรี่ในรถยนต์มีศักย์ไฟฟ้า 12 โวลต์

ส่วนประกอบของแบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

1) เมื่ออัดไฟครั้งแรก 2) เมื่อจ่ายไฟ 3) เมื่ออัดไฟครั้งต่อไป

แบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วจะประกอบด้วยอิเล็กโทรดคือแผ่นตะกั่ว มีกรดซัลฟิวริกเจือจางเป็นอิเล็กโทรไลต์ เมื่อมีการอัดไฟครั้งแรกแผ่นตะกั่วที่ต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี (ขั้วแอโนด) จะถูกออกซิไดซ์เป็นเลด (II) ไอออน ดังสมการ

Pb(s) Pb²⁺ (aq) + 2e^–

เมื่อรวมกับออกซิเจนที่เกิดขึ้นจะกลายเป็นเลด (IV) ออกไซด์

Pb²⁺ (aq) + O₂ (g) PbO₂ (s)

ดังนั้นที่ขั้วแอโนด (ขั้วบวก) แผ่นตะกั่วจะถูกเปลี่ยนเป็นเลด (IV) ออกไซด์ขั้วไฟฟ้าจึงแตกต่างกัน (ขั้วแอโนด-ขั้วบวก:PbO₂ และขั้วแคโทด-ขั้วลบ: Pb) ทำให้สามารถเกิดกระแสไฟฟ้าได้หรือจ่ายไฟได้นั่นเอง
การจ่ายไฟเกิดขึ้น ดังสมการ

ขั้วแอโนด-ขั้วลบ: Pb(s) + SO₄ ^2-(aq) PbSO₄ (s) + 2e^–

ขั้วแคโทด-ขั้วบวก: PbO₂ (s) + SO₄ ^2-(aq) + 4H⁺ (aq) + 2e^– PbSO₄ (s) + 2H₂O(l)

อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วแอโนดหรือขั้วลบผ่านวงจรภายนอกไปยังขั้วแคโทดหรือขั้วบวก จากสมการจะสังเกตได้ว่ามีผลิตภัณฑ์คือ PbSO₄ (s) เกิดขึ้นเหมือนกัน ดังนั้นเมื่อใช้แบตเตอรี่ไประยะหนึ่งความต่างศักย์จะลดลง และจะลดลงไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งเป็นศูนย์ ทั้งนี้เนื่องจากขั้วไฟฟ้าทั้งคู่เหมือนกัน จึงไม่มีความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วทั้งสอง

ปฏิกิริยาของเชลล์ข้างบนเป็นผันกลับได้ ดังนั้นถ้าต้องการให้เกิดการผันกลับจึงจำเป็นต้องมีการอัดไฟฟ้าใหม่ โดยการต่อขั้วบวกของเซลล์กับขั้วบวกของแบตเตอรี่และขั้วลบกับขั้วลบของแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาข้างบนก็จะเปลี่ยนทิศทางเป็นจากขวาไปซ้าย ในลักษณะนี้เลด(II) ซัลเฟตที่ขั้วลบก็จะเปลี่ยนเป็นตะกั่ว ส่วนอีกขั้วหนึ่ง เลด (II) ซัลเฟตจะเปลี่ยนเป็นเลด (IV) ออกไซด์ ดังสมการ

ขั้วแอโนด-ขั้วบวก: PbSO₄ (s) +2H₂O(l) PbO₂ (s) + SO₄ ^2-(aq) + 4H + (aq) + 2e^–

ขั้วแคโทด-ขั้วลบ: PbSO₄ (s) +2e^– Pb(s) + SO₄ ^2-(aq)

จากปฏิกิริยาในขณะที่มีการจ่ายไฟฟ้า ความเข้มข้นของกรดจะลดลงเรื่อย ๆ จากปกติที่มีความถ่วงจำเพาะ ประมาณ 1.25 ถึง 1.30 แล้วแต่อุณหภูมิในขณะนั้น ๆ ถ้าหากเมื่อใดมีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่า 1.20 ที่อุณหภูมิของห้องก็ควรจะมีการอัดไฟฟ้าใหม่ได้

เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม หรือเซลล์นิแคด (Nickel-Cadmium Cell)

ที่ขั้วแอโนด: Cd(s) + 2OH^– (aq) Cd(OH)₂ (s) + 2e^–

ที่ขั้วแคโทด: NiO₂ (s) + 2H₂O(l) + 2e^– Ni(OH)₂ (s) + 2OH^– (aq)

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

เซลล์ลิเทียมไอออน (Lithium Ion Cell)

เซลล์ลิเทียม อาจให้ศักย์ไฟฟ้าสูงถึง 3 โวลต์ เป็นเซลล์ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็งได้แก่สารพอลิเมอร์ที่ยอมให้ไอออนผ่านแต่ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่าน ขั้วแอโนดคือลิเทียมซึ่งเป็นธาตุที่มีค่าศักย์ไฟฟ้ารีดักชันมาตรฐานต่ำที่สุด มีความสามารถในการให้อิเล็กตรอนได้ดีที่สุด ส่วนแคโทดใช้สารที่เรียกว่าสารประกอบแทรกชั้น (Insertion Compound) ได้แก่ TiS 2 หรือ V 6 O 13

เครดิต: http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/3/electrolysis/Pri-Sec%20cell.htm

ลิ้ง youtube สำหรับวิดีโอ ประเภทของเซลล์กันวานิก

> https://www.youtube.com/watch?v=SCagWXdOGaA