วันเสาร์ที่ 1 กันยายน พ.ศ. 2555

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 (โลหะเงินมาเกาะอยู่ที่แผ่นโลหะทองแดง
            ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น 

                   
เซลล์ไฟฟ้าเคมี

            เนื่องจากการที่สารที่ให้ e- และสารที่รับ e- สัมผัสกันโดยตรง จะไม่สามารถแสดงกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นได้ ดังนั้นหากต้องการให้มีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นต้องมีการนำลวดตัวนำไฟฟ้าต่อเชื่อมเข้าไประหว่างขั้วไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ที่ให้ e- และครึ่งเซลล์ที่รับ e- และพร้อมกับโวลต์มิเตอร์ และสะพานเกลือเชื่อมระหว่างครึ่งเซลล์ทั้งสอง

 ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน (E°)
ครึ่งเซลล์มาตรฐานที่ใช้เปรียบเทียบความสามารถในการให้รับ e-  ของครึ่งเซลล์ต่างๆ จะใช้ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนเขียนแทนด้วย Pt(s) | H2(1atm) | H+(1M) และกำหนดให้ค่าศักย์ไฟฟ้าของไฮโดรเจนที่สภาวะมาตรฐาน(25°C,1atm) มีค่าเท่ากับศูนย์โวลต
Eo H2  =    0.00     Volt
การวัดค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน ของเซลล์ไฟฟ้าใดๆ ทำได้โดยการนำครึ่งเซลล์มาตรฐานไฮโดรเจนต่อกับครึ่งเซลล์ที่สนใจ และขั้วไฟฟ้าจะต้องจุ่มอยู่ในสารละลายเข้มข้น 1 Molarโดย
 E°Cell    =    E°คาโทด - E°อาโนด            
ข้อควรทราบเกี่ยวกับค่า
1.    ถ้ามีการกลับสมการ                ค่า จะเท่าเดิม แต่เครื่องหมายตรงกันข้าม
2.   ถ้ามีการคูณสมการด้วยตัวเลขใดๆ               ค่า จะเท่าเดิม ไม่เปลี่ยนแปลง
3.   ค่า E°reduction ยิ่งมาก   แสดงว่าสารนั้นยิ่งรับ e-   ได้ดี    (แนวโน้มความเป็นตัวออกซิ
      ไดซ์มากขึ้น)
      ค่า E°reduction ยิ่งต่ำ     แสดงว่าสารนั้นยิ่งให้ e-   ได้ดี     (แนวโน้มความเป็นตัวรีดิวซ์
       มากขึ้น)

               โดยทั่วไปเมื่อกล่าวถึง หากไม่มีการระบุว่าเป็น E°reduction หรือ E°oxidation ให้ถือว่าเป็น E°reduction

 
 ขั้นตอนการดุลสมการรีดอกซ์
1.                    หาธาตุที่มี O.N. เปลี่ยนไป ต่อ 1 อะตอมของธาตุ
2.      นำเลข O.N. ที่เปลี่ยนไปมาคูณไขว้ (เพื่อให้จำนวน e-   ที่ถ่ายเทเท่ากัน)
3.      ดุลอะตอมของธาตุ (H กับ O ทำทีหลัง)
4.      ถ้าทอนได้ให้ทอนเป็นอัตราส่วนอย่างต่ำด้วย

ประโยชน์ของเซลล์กัลวานิก
เซลล์กัลวานิก อาจแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะ คือ
     1. เซลล์ปฐมภูมิ< Primary Cell>

เป็นเซลล์ที่เมื่อใช้แล้วไม่อาจทำให้กลับไปสู่สภาพเดิมได้อีกโดยใช้ศักย์ไฟฟ้าภาพนอก เซลล์ชนิดนี้

ได้แก่ ดาเนียลเซลล์ เซลล์แห้ง และอื่นๆ
1.1 เซลล์แห้งหรือถ่านไฟฉาย
          เซลล์แห้งหรือบางทีเรียกว่าเซลล์เลอคลัง เซลล์ (leclanche cell) เป็นเซลล์ที่ใช้ในไฟฉาย ซึ่งมีลักษณะตามรูปที่ 1. กล่องของเซลล์ทำด้วยโลหะสังกะสีซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วลบ ส่วนแท่งคาร์บอนหรือแกไฟต์ทำหน้าที่เป็นขั้วบวก ภายในกล่องระหว่างสองอิเล็กโตรดบรรจุด้วยของผสมของแอมโมเนียมคลอไรด์, แมงกานีส (IV) ออกไซด์, ซิงค์ (II) คลอไรด์, ผงคาร์บอนกับของแข็งอื่นที่ไม่มีส่วนในการทำปฏิกิริยาและทำให้ชุ่มด้วยน้ำ ระหว่างของผสมเหล่านี้กับกล่องสังกะสีกั้นด้วยกระดาษพรุน ตอนบนของเซลล์ผนึกด้วยวัสดุที่สามารถรักษาความชื้นภายในเซลล์ให้คงที่ เมื่อเซลล์ทำหน้าที่จ่ายไฟฟ้า Zn จะละลายเป็น Zn2+เป็นเหตุให้กล่องสังกะสีเป็นขั้วลบ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจึงเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชัน                
  Zn(s) ------------> Zn2+(aq) + 2e-
ที่ขั้วบวก แมงกานีส(IV) ออกไซด์ก็จะถูกรีดิวซ์
ซึ่งมีปฏิกิริยาครึ่งเซลล์เป็นดังนี้
2MnO2(s) + 8NH4+(aq) + 2e
---->2Mn3+(aq)-4H2O + 8NH3<(aq)
เพราะฉะนั้นปฏิกิริยาสุทธิที่ได้จากปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ทั้งสอง จึงเป็น         
 Zn(s) +2MnO2(s) + 8NH+4(aq)-------->Zn2+(aq) + 2Mn3+(aq) + 8NH3(aq) +4H2O
ถ้ามีการจ่ายกระแสไฟฟ้ามากก็จะทำให้เกิด   NH3           ขึ้น ซึ่งจะเข้าทำปฏิกิริยากับ Zn2+     เกิดเป็นไอออนเชิงซ้อน เป็นต้นว่า [Zn(NH3)4]2+ และ [ Zn(NH3)4 ]2+ และ [ Zn(NH3)2(H2O)2]2+ เซลล์แห้งดังกล่าวจะให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.5 โวลต์ การเกิดไอออนเชิงซ้อนช่วยรักษาความเข้มข้นของ Zn2+ ไม่ให้สูงขึ้น จึงทำให้ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เกือบคงที่เป็นเวลานานพอสมควร

 
 1.2 เซลล์สำหรับวัตถุประสงค์พิเศษ
 สำหรับเซลล์วัตถุประสงค์พิเศษ ที่จะกล่าวถึง ได้แก่ เซลล์รูบิน-มาลลอรี่(Rubin-Mallory cell) หรือบางทีเรียกเซลล์เมอร์คิวรี(Mercury cell) ซึ่งมีขนาดเล็กและใช้กันมากในเครื่องฟังเสียงสำหรับคนหูพิการ หรือประโยชน์อื่นๆ เซลล์นี้ใช้กล่องสังกะสีเป็นขั้วลบ แท่งคาร์บอน(แกรไฟต์ เป็นขั้วบวก คล้ายกับของเซลล์แห้ง แต่ใช้อิเล็กโตรไลต์เป็นของผสมที่ชุ่มและเหนียวของเมอร์คิวรี (II) ออกไซด์ โซเดียมหรือโพแทสเซียมไฮ ดรอกไซด์ เซลล์นี้จะให้ศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.3 โวลต์ และมีปฏิกิริยาเคมีดังนี้
              ขั้วลบ  :Zn(s) + 2OH-(aq)----------->Zn(OH)2(s) + 2e-
             ขั้วบวก :HgO(s) + 2H2O + 2e- --------->Hg(l) + 2OH-(aq)
ปฏิกิริยาสุทธิ :  Zn(s) + HgO(s) + 2H2O ------>Zn(OH)2(s) + Hg(l)
1.3 ดาเนียลเซลล์ (Daniel Cell)
                
จากภาพ อิเล็กโตรดทองแดงประกอบด้วยโลหะทองแดงบรรจุอยู่ในสารละลายอิ่มตัวของคอปเปอร์(||) ซัลเฟต (A) ส่วนล่างของเซลล์มีผลึกของคอปเปอร์ซัลเฟตเพื่อให้สารละลายอิ่มตัว สารอิเล็กโตรดสังกะสีประกอบด้วย โลหะสังกะสี( B ) ลอยอยู่ในสารละลายสังกะสีซัลเฟตที่เจือจางไกล้ๆส่วนบนของเซลล์ เหนือสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟตซึ่งมีความหนาแน่นมากกว่า เมื่อโลหะสังกะสีและทองแดงเชื่อมต่อกันด้วยลวด อิเล็กตรอนจะไหลผ่านเส้นลวดจากสังกะสีซึ่งถูกออกซิไดซ์ง่ายกว่าไปยังทองแดงซึ่งออกซิไดซ์ยากกว่า สังกะสีจะถูกออกซไดซ์กลายเป็น Zn2+ ในสารละลาย ในขณะเดียวกัน Cu2+ จะถูกรีดิวซ์เป็นทองแดง   ดังสมการ          แอโนด  : Zn------------->Zn2+ + 2e-
แคโทด : Cu2+ + 2e-------------->Cu
ปฏิกิริยาสุทธิ   Zn + Cu2+---------------->Zn2+ + Cu
ถ้าความเข้มข้นของ Zn2+ เพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก ( anode ) จะเลื่อนไปทางซ้าย เป็นผลให้ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ลดลง
เซลล์ที่ใช้หลักการเดียวกับดาเนียลเซลล์ แต่ใช้แคดเมียมและนิเกิลแทนสังกะสีและทองแดงใช้กันมากในแบตเตอรี่ เพราะมีอายุการใช้งานที่นานกว่า

     2.
เซลล์ทุติยภูมิSecondary Galvanic Cell
เป็นเซลล์ที่สารซึ่งเป็นส่วนประกอบของเซลล์สามารถทำกลับให้อยู่ในสภาพเดิมได้อีกโดยให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านในทิศทางตรงกันข้ามกับการจ่ายไฟ (Discharge) วิธีการนี้เป็นการให้ประจุใหม่แก่เซลล์ เซลล์ชนิดนี้ได้แก่ แบตเตอรี่ตะกั่ว และแบตเตอรี่แบบเอดิสันเป็นต้น
2.1
แบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว (lead storage battery)
          แบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วจะ ประกอบด้วยอิเล็กโตรสองอันซึ่งเป็นแผ่นตะกั่ว และแผ่นเลด(IV) ออกไซด์ มีกรดซัลฟุริกเจือจางเป็นอิเล็กโตรไลต์ เมื่อมีการจ่ายไฟฟ้า แผ่นตะกั่วจะถูกออกซิไดส์เป็นเลด (II) ไอออน และทำหน้าที่เป็นขั้วลบ ดังรูป 2
Pb(s) --------->Pb2+(aq) + 2e-
เลด(II) ไอออนจะรวมตัวกับชัลเฟตไอออนเป็นเลด(II) ซัลเฟต
         Pb2+(aq) + SO2-4(aq)
------->PbSO4(s)   รูปที่ส่วนประกอบของแบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว
เมื่อรวมสมการทั้งสองเข้าด้วยกัน ก็จะเป็นปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ที่มีการเกิดออกซิเดชัน
Pb(s) + SO2-4(aq) ------------>PbSO4(s) +2e-
อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วลบตามเส้นลวดไปยังอิเล็กโตรดอีกอันหนึ่งที่เป็นเลด(IV) ออกไซด์ ซึ่งมีไฮโดรเจนไอออนจากอิเล็กโตรไลต์และจะถูกรีดิวซืดังสมการ
PbO2(s) +4H+(aq) +2e---------->Pb2+(aq) + 2H2O
และ Pb2+ จะรวมตัวกับ SO2-4 ที่มีในสารละลาย
Pb2+(aq) + SO2-4(aq)------------>PbSO4 (s)
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่เลด (IV) ออกไซด์จึงเป็นปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ที่มีการเกิดรีดักชัน
               PbO2(s) + 4H+(aq) + SO2-4(aq) + 2e-
------------>PbSO4(s) + 2H2O
การจ่ายไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากทั้งสองอิเล็กโตรดอาจสรุปได้ดังนี้
                            
ขั้วลบ   :   Pb(s) + SO2-4(aq)-------->PbSO4(s) + 2e-
                             ขั้วบวก  :  PbO2(s) + 4H+(aq) + SO2-4(aq) + 2e------------>PbSO4(s) + 2H2O
          ปฏิกิริยาสุทธิ   :  Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2SO2-4(aq)----->2PbSO4(s) +2H2O

ปฏิกิริยาของเชลล์ข้างบนเป็นแบบผันกลับได้ เพราะฉะนั้นถ้าต้องการให้ผันกลับก็จำเป็นจะต้องมีการอัดไฟฟ้า โดยการต่อขั้วบวกของเซลล์กับขั้วบวกของเครื่องอัดไฟฟ้าและขั้วลบกับขั้วลบของเครื่องอัดไฟฟ้า ปฏิกิริยาสุทธิข้างบนก็จะเปลี่ยนทิศทางเป็นจากขวาไปซ้าย ในลักษณะนี้เลด(II) ซัลเฟตที่ขั้วลบก็จะเปลี่ยนเป็นตะกั่ว ส่วนอีกขั้วหนึ่ง เลด(II) ซัลเฟตจะเปลี่ยนเป็นเลด (IV) ออกไซด์   ตามปฏิกิริยาของแบตเตอรี่สะสมแบบตะกั่วจะเห็นว่าในขณะที่มีการจ่ายไฟฟ้า ความเข้มข้นของกรดจะลดลงเรื่อยๆ ตามปกติตอนที่มีศักย์ ไฟฟ้าเต็มที่จะมีความถ่วงจำเพาะ ประมาณ 1.25 ถึง 1.30 แล้วแต่อุณหภูมิในขณะนั้นๆ ถ้าหากเมื่อใดมีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่า 1.20 ที่อุณหภูมิของห้องก็ควรจะมีการอัดไฟฟ้าได้ แต่ละเซลล์ของแบตเตอรี่จะมีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 2 โวลต์ เพราะฉะนั้นถ้ารถยนต์ใช้แบตเตอรี่ 12 โวลต์ก็จะต้องประกอบด้วย 6 เซลล์

 

2.2 แบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบเอดิสัน (Edison storage battery)

แบตเตอรี่แบบนี้ประกอบแผ่นเหล็กกล้า บรรจุผงเหล็กละเอียดส่วนนี้ทำหน้าที่เป็นขั้วลบ สำหรับขั้วบวกเป็นแผ่นเหล็กกล้าบรรจุด้วยนิเกิล(IV) ออกไซด์ไฮเดรต ส่วนอิเล็กโตรไลต์เป็นสารละลายที่มีโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ 21% ผสมลิเที่ยมไฮดรอกไซด์เล็กน้อย เมื่อมีการจ่ายไฟฟ้า ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์เกิดขึ้นดังนี้
                 
ขั้วลบ   :  Fe(s) + 2OH-(aq) ----------->Fe(OH)2(s) + 2e-
                  
ขั้วบวก : NiO2(s) + 2H2O + 2e- ---------->Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq)
                
ปฏิกิริยาสุทธิ  :   Fe(s) + NiO2(s) + 2H2O----------->Fe(OH)2(s) + Ni(OH)2(S)
                เมื่อมีการอัดไฟฟ้า ปฏิกิริยาจะเปลี่ยนทิศทางจากขวาไปซ้าย ศักย์ไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ของแบตเตอรี่แบบเอดิสัน มีค่า
ประมาณ 1.4 โวลต์
               ถ้าใช้ผงแคดเมียมมาแทนผงเหล็กจะเป็นแบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าแบบนิกเกิล-แคดเมียม ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าประมาณ 1.3 โวลต์ และมีปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ พอสรุปได้ดังนี้
                     
ขั้วลบ   :      Cd(s) + 2OH-(aq) ----------->Cd(OH)2(s) + 2e-
                    
ขั้วบวก:       NiO2(s) + 2H2O + 2e- ----------->Ni(OH)2(s) + 2OH-(aq)
             
ปฏิกิริยาสุทธิ  : Cd(s) + NiO2(s) + 2H2O ---------->Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s)
แบตเตอรี่ทั้งสองแบบที่กล่าวถึงในหัวข้อที่ 2. มีข้อดีคือ สามารถเก็บไว้นานๆได้โดยไม่เสื่อมคุณภาพ ให้ศักย์ไฟฟ้าค่อนข้างคงที่ ใช้กับอุปกรณ์วัดแสงในการถ่ายรูป เครื่องคิดเลข และอื่นๆ

ประโยชน์ของเซลล์อิเล็กโทรไลต์

การชุบ

     หลักการทั่วไปสำหรับการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า
1.ใช้โลหะที่จะชุบเป็นแคโทด
2.จะชุบด้วยโลหะใดใช้โลหะนั้นเป็นแอโนด
3.สารละลายอิเล็กโทรไลต์  ต้องมีไอออนของโลหะที่เป็นแอโนด
4.ใช้ไฟฟ้ากระแสตรง  และควบคุมศักดิ์ไฟฟ้าของเซลล์ให้เหมาะสม
เช่นการชุบช้อนสังกะสีด้วยเงิน  กระทำดังแผนภาพ

การทำโลหะให้บริสุทธิ์

     การทำโลหะให้บริสุทธิ์ด้วยกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส  ใช้หลักการเดียวกับกับการชุบด้วยไฟฟ้า  โดยใช้โลหะที่บริสุทธิ์เป็นแคโทด  โลหะที่ไม่บริสุทธิ์เป็นแอโนด และใช้สารละลายที่มีไอออนของโลหะดังกล่าวเป็นอิเล็กโทรไลต์  เช่นการทำทองแดงให้บริสุทธิ์
             โดยทั่วๆไปจะได้ทองแดงจากการถลุงแร่  ซึ่งจะมีความบริสุทธิ์ไม่เกิน  99%  ที่เหลือจะเป็นพวกสิ่งเจือปนต่าง   เช่น Fe  Ag  Au  Pt  และ Zn  ถ้าใช้กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสเข้าช่วย  จะได้ทองแดงที่มีความบริสุทธิ์ถึง  99.95%  ในอุตสาหกรรมจะสร้างเซลล์ดังนี้


                                      ารผุกร่อนของโลหะและการป้องกัน
              การผุกร่อนของโลหะที่พบบ่อยในชีวิตประจำวันได้แก่ เหล็กเป็นสนิม (สนิมเหล็กเป็นออกไซด์ของเหล็ก Fe2O3.xH2O) ซึ่งเกิดจากสาเหตุหลายประการ ตัวอย่างเช่น การที่อะตอมของโลหะที่ถูกออกซิไดส์แล้วรวมตัวกับออกซิเจนในอากาศเกิดเป็นออกไซด์ของโลหะนั้น เช่น สนิมเหล็ก(Fe2O3) สนิมทองแดง (CuO) หรือสนิมอลูมิเนียม(Al2O3) การเกิดสนิมมีกระบวนการซับซ้อนมากและมีลักษณะเฉพาะตัวดังนี้
     1. การผุกร่อนของโลหะ  คือปฏิกิริยาเคมีที่เกิดระหว่างโลหะกับภาวะแวดล้อม
     2.
ภาวะแวดล้อมที่ทำให้ผุกร่อน   คือ ความชื้น และออกซิเจน(H2O, O2) หรือ H2O กับอากาศ
     3.
ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดในการผุกร่อน เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์
3.1
โลหะที่เกิดปฏิกิริยา Oxidation (ให้อิเล็กตรอน)
3.2 ภาวะแวดล้อมเป็นฝ่ายรับอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิริยา Reduction
     4. สมการแสดงปฏิกิริยาการผุกร่อน (เกิดจากการทดลอง)
         โลหะ + ภาวะแวดล้อม -----> Ion ของโลหะ + เบส
         Fe (s) + H2O (l) + O2 (g) -----> Fe2+ (aq) + OH- (aq)
Fe2+ ทดสอบโดยใช้สารละลาย K3Fe(CN)6 จะได้สีน้ำเงิน ถ้าสีน้ำเงินเข้ม แสดงว่ามี Fe2+ มาก ถ้าจางมี Fe2+ น้อย
เบส(OH-) ทดสอบโดยสารละลายฟินอล์ฟทาลีน ได้สีชมพู
     5. ในการ Balance สมการ
เมื่อเหล็กสัมผัสกับอากาศและความชื้น อะตอมของเหล็กจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันดังสมการ
         Fe (s) ------> Fe2+ (aq) + 2e ……………………………..(1) (Oxidation)
น้ำและออกซิเจนรับอิเล็กตรอนจากเหล็ก ดังสมการ
         2H2O (l) + O2 (g) + 4e ------> 4OH- (aq) …………………..(2) (Reduction)
(1) * 2 + (2) ; 2Fe + 2H2O + O2 -------> 2Fe2+ + 4OH- (Redox)

การป้องกันสนิมเหล็ก

         1. ทาสี ทาน้ำมัน การรมดำ และการเคลือบพลาสติก เป็นการป้องกันการถูกกับ O2 และความชื้น ซึ่งเป็นการป้องกันการเกิดสนิมของโลหะได้และเป็นวิธีที่สะดวกและให้ผลดีในการป้องกันสนิม
          2. โลหะบางชนิดมีสมบัติพิเศษ กล่าวคือเมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจนจะเกิดเป็นออกไซด์ของโลหะเคลือบอยู่บนผิวของโลหะนั้นและไม่เกิดการผุกร่อนอีกต่อไป โลหะที่มีสมบัติดังกล่าวได้แก่ อลูมิเนียม ดีบุก และสังกะสี การชุบ หรือเคลือบโดยโลหะที่ Oxide ของโลหะนั้นคงตัว สลายตัวยาก จะเป็นผิวบางๆ คลุมผิวโลหะอีกที ได้แก่ Cr (โครเมียม) และอลูมิเนียม(Al) เป็นต้น ดังนั้น Cr2O3.Al2O3 สลายตัวยาก เรียกชื่อว่าวิธี อะโนไดซ์ (Anodize)
    หมายเหตุ เหล็กกล้าไม่เกิดสนิม (stainless steel) เป็น Fe ผสม Cr
         3. การผุกร่อนของโลหะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเช่นเดียวกับแอโนดในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นถ้าไม่ต้องการให้เกิดการผุกร่อนจึงต้องให้โลหะนั้นมีสภาวะเป็นแคโทดหรือคล้ายกับแคโทด โดยใช้โลหะที่เสีย e- ง่ายกว่าเหล็กไปอยู่กับเหล็ก ได้แก่ Fe ชุบ Zn สำหรับมุงหลังคา การฝังถุง Mg ตามท่อ หรือการผูก Mg ตามโครงเรือ จะทำให้ Fe ผุช้าลง เนื่องจาก Zn & Mg เสีย e ง่ายกว่า Fe จะเสีย e แทน Fe เรียกชื่อวิธี แคโธดิก (Cathodic)
4. การป้องกันการผุกร่อนของโลหะในระบบหล่อเย็นแบบปิด
เครื่องยนต์ที่ใช้ในรถยนต์หรือเครื่องมือผลิตกระแสไฟฟ้าจะใช้ระบบหล่อเย็นแบบปิดเพื่อรักษาอุณหภูมิของเครื่องยนต์ไม่ให้สูงมากเกินไป สารหล่อเย็นที่ใช้คือน้ำซึ่งมีออกซิเจนละลายอยู่ ถ้าเครื่องยนต์มีโลหะผสมของอลูมิเนียม ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำจะถูกใช้ในการสร้างฟิล์มอลูมิเนียมออกไซด์ และฟิล์มนี้จะป้องกันการผุกร่อนเครื่องยนต์ได้ แต่ถ้าเครื่องยนต์มีส่วนประกอบที่เป็นโลหะผสมของเหล็ก ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ที่สัมผัสกับน้ำจะเกิดการผุกร่อนได้ เนื่องจากออกไซด์ของเหล็กไม่มีสมบัติในการเป็นสารเคลือบผิว จึงต้องเติมสารยับยั้งการกัดกร่อนซึ่งประกอบด้วยสารประกอบของไนไตรต์โบแรกซ์ สารนี้จะทำให้น้ำในระบบหล่อเย็นมี pH สูงกว่า 8.5 และทำให้โลหที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องยนต์เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ยาก การผุกร่อนของโลหะจึงลดลง นอกจากนี้การใช้ระบบปิดมีผลดีอีกประการหนึ่งคือเป็นการจำกัดปริมาณของออกซอเจนที่ละลายลงไปในน้ำจึงทำให้การผุกร่อนของโลหะลดลง

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี

1.  การทำอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ำทะเล
อิเล็กโทรไดอะลิซิสเป็นเซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้แยกไอออนออกจากสารละลายโดยให้ไอออนเคลื่อนที่ผ่านเยื่อบางๆ  ไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีประจุตรงกันข้ามซึ่งอยู่ริมทั้งสองด้านทำให้สารละลายส่วนกลางมีความเข้มข้นไอออนลดลงจึงนำหลักการนี้ไปแยกไอออนของโซเดียมและคลอไรด์ไอออนออกจากน้ำทะเลเพื่อผลิตน้ำจืดจากทะเลได้
          2. 
เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell)
อีกวิธีหนึ่งที่ใช้เปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งมีได้หลายแบบ ขึ้นกับว่าจะใช้สารอะไรเป็นเชื้อเพลิง เช่น ออกซิเจน(จากอากาศ) และน้ำมันเชื้อเพลิง (fossil fuel) หรือไฮโดรเจนและไฮดราซีน (hydrazine,N2H4) แต่เชื้อเพลิงที่ใช้กันมากได้แก่ H2 และ O2 ซึ่งใช้กันในยานอวกาศ เพราะเชื้อเพลิงที่ใช้ยิงจรวดเป็นเชื้อเพลิงชนิดเดียวกัน เซลล์เชื้อเพลิงH2 - O2 แสดงในรูป ซึ่งแบ่งได้เป็นสามห้อง คือห้องทางซ้ายเป็นทางเข้าของ H2 และห้องทางขวาซึ่งเป็นทางเข้าของO2 และห้องที่มีตำแหน่งอยู่กลางบรรจุอิเล็กโตรไลต์ซึ่งเป็นสารละลายเบส ห้องทั้งสามแยกออกจากกันด้วยขั้วไฟฟ้าที่มีลักษณะพรุน (porous electrode) ที่ทำด้วยวัตถุตัวนำ เช่น คาร์บอนผสมด้วยแพลตินัมเล็กน้อย เพื่อทำหน้าที่เป็นตัวเร่ง เมื่อป้อน H2 และ O2 เข้าทางห้องทางซ้ายและทางขวาพร้อมกัน แก๊สทั้งสองจะแพร่ผ่านไปยังขั้วไฟฟ้า และทำปฏิกิริยากับอิเล็กโตรไลต์ในห้องกลาง ออกซิเจนถูกรีดิวซ์ที่คาโทดเกิดเป็น OH- ดังนี้
คาโทด O2(g)+2H2O(I)+4e- ------------------>4OH-(aq)

อิออน OH-จะซึมผ่านไปยังแอโนด และทำปฏิกิริยากับ H2 ดังนี้
     H2(g)+2OH-(aq)------------------>2H2O(I)+2e-
ปฏิกิริยาสุทธิของเซลล์คือ การเปลี่ยน H2 (g)และ O2(g) เป็นน้ำนั่นเอง
     2H2(g)+O2(g) ------------------> 2H2O(I)
โดยปกติจะใช้อุณหภูมิสูงพอ เพื่อน้ำที่ได้สามารถระเหยออกจากเซลล์ และควบแน่นเป็นน้ำดื่มสำหรับมนุษย์อวกาศ ถ้านำเชื้อเพลิงหลายๆเซลล์มาต่อเข้าด้วยกัน จะสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้หลายๆกิโลวัตต์ เซลล์เชื้อเพลิงมีข้อดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์แห้งหรือเซลล์สะสมตะกั่ว เช่นสามารถป้อนเชื้อเพลิงตลอดเวลา    จึงได้เกิดพลังงานขึ้นอย่างไม่มีที่สิ้นสุดและมีประสิทธิภาพสูงกว่า   นอกจากนี้แล้ว เซลล์เชื้อเพลิงสามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง โดยไม่มีผลิตผลพลอยได้ที่ไม่พึงปรารถนาอย่างอื่น    (การผลิตกระแสไฟฟ้าที่ใช้กันในปัจจุบันทั่วไปต้องใช้เชื้อเพลิงในการต้มน้ำให้ได้ไอเพื่อนำไปหมุนกังหันที่ต่อ) และยังมีประสิทธิภาพสูงกว่า (เซลล์เชื้อเพลิงอาจมีประสิทธิภาพมากกว่า 80% เปรียบเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันไอน้ำ ซึ่งทั่วไปสูงเพียงประมาณ 40% เท่านั้น)เซลล์เชื้อเพลิงจึงอาจเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญในอนาคต
                  

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

แสดงความคิดเห็น