เซลล์เคมีไฟฟ้า

เซลลเ์ คมไี ฟฟา้

องคป์ ระกอบของเซลลเ์ คมไี ฟฟา้

ปฏกิ ิรยิ ารีดอกซร์ ะหวา่ งโลหะสังกะสี (Zn) กับสารละลายของคอปเปอร์(II)ไอออน (Cu)
สามารถทาให้เป็นเซลล์เคมีไฟฟ้าได้ โดยการแยกคร่ึงปฏิกิริยาออกซิเดชันของโลหะสังกะสีกับ
ครง่ึ ปฏกิ ริ ยิ ารดี กั ชันของคอปเปอร์(II)ไอออนให้เกิดข้นึ ทีต่ า่ งขว้ั ไฟฟา้ กันใน 2 ครงึ่ เซลล์ ดังรูป

ข้วั ไฟฟา้ และสารละลาย สะพานเกลือ
อเิ ลก็ โทรไลต์ (Salt bridge)

แอโนด (Anode) ขว้ั ไฟฟ้าและสารละลาย
อิเล็กโทรไลต์

แคโทด (Cathode)

องค์ประกอบของเซลลเ์ คมไี ฟฟา้

สารละลายอิเลก็ โทรไลต์ 1 ข้วั ไฟฟา้ ทเ่ี ป็นแอโนดและแคโทด
2
3 สะพานเกลือหรอื เยื่อคนั่

เซลลเ์ คมีไฟฟ้าทใ่ี หพ้ ลงั งานไฟฟา้ เรียกว่า เซลล์กัลวานกิ (galvanic cell) หรือเซลล์
โวลทาอิก (voltaic cell) โดยมีแอโนดเปน็ ข้วั ลบ แคโทดเปน็ ข้วั บวก และอิเล็กตรอนเคลื่อนที่
ผ่านวงจรภายนอกเซลล์จากแอโนดไปยังแคโทด ปฏิกิริยาเคมีในเซลล์กัลวานิกเป็นปฏิกิริยาที่
เกิดข้นึ ไดเ้ อง (spontaneous reaction)

ตวั อย่างเซลล์กัลวานิก

นอกจากเซลลก์ ัลวานกิ แล้วยงั มีเซลล์เคมไี ฟฟา้ อีกประเภทหนง่ึ ทเ่ี รยี กวา่ เซลลอ์ เิ ลก็ โทรลิติก
(electrolytic cell) ซง่ึ เปน็ เซลลท์ ่ีต้องใหก้ ระแสไฟฟา้ หรือพลังงานไฟฟา้ เพ่อื ทาให้เกิดปฏกิ ริ ยิ าเคมี
เน่อื งจากเปน็ ปฏิกริ ิยาที่ไม่สามารถเกดิ ข้นึ ไดเ้ อง (non Spontaneous reaction) และปฏกิ ริ ริ ดี อกซ์
ทีเ่ กิดขน้ึ ในเซลลอ์ ิเลก็ โทรลติ กิ จะเปน็ ปฏิกิริยายอ้ นกลับของปฏกิ ิรยิ าทเี่ กิดขึ้นในเซลล์กัลวานกิ

ตวั อยา่ งเซลล์อเิ ล็กโทรลติ กิ

เซลล์เคมีไฟฟ้าทั้งในเซลล์กัลวานิกและเซลล์อิเล็กโทรลติก ข้ัวไฟฟ้าท่ีเกดิ ปฏิกิริยารีดักชั้น เรียกว่า
แคโทด ส่วนข้วั ไฟฟ้าท่เี กิดปฏิกริ ิยาออกซิเดชนั เรียกวา่ แอโนดเสมอ และเนอ่ื งจากปฏิกริ ยิ าที่เกดิ ขน้ึ ใน
เซลล์อิเล็กโทรลิติกเป็นปฏิกิริยาย้อนกลับของปฏิกิริยาท่ีเกิดขึ้นในเซลล์กัลวานิก เขียนแสดง
ความสมั พันธ์ของปฏกิ ิริยาในเซลลท์ ้งั สองไดด้ งั น้ี

spontaneous reaction

Zn(s) + Cu2+(aq) ⇌ Zn2+(aq) + Cu(s) + พลังงานไฟฟ้า

non Spontaneous reaction

สรปุ ขอ้ แตกต่างของเซลลก์ ลั วานกิ กับเซลลิอเิ ลก็ โทรลติ กิ

ขอ้ แตกตา่ ง เซลล์กัลวานิก เซลลเ์ ลก็ โทรลติ ิก
ปฏกิ ิริยา เป็นเซลลท์ ่ีเกดิ ข้นึ เองไมไ่ ด้
เป็นเซลลท์ ่ีเกดิ ขึ้นได้เอง
ข้วั ไฟฟา้ E0 เปน็ บวก E0 เป็นลบ
Cathode เปน็ ขั้วลบ
ประโยชน์ Cathode เปน็ ขัว้ บวก Anode เป็นขั้วบวก
พลงั งาน Anode เป็นขัว้ ลบ
ใช้ชุบโลหะ หรอื ทาโลหะบริสุทธ์ิ
เป็นแหลง่ ผลติ เช้อื เพลงิ เช่น
ถา่ นไฟฉาย ไฟฟา้ → เคมี

เคมี → ไฟฟา้

แผนภาพเซลล์

การเขียนแผนภาพเซลลเ์ ป็นการเขียนสัญลกั ษณแ์ สดงส่วนประกอบของเซลล์ ซึง่ มีหลกั การดังนี้
1. เขียนครึ่งเซลล์ท่ีเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือครึ่งเซลล์ออกซิเดชันไว้ทางด้านซ้าย และครึ่ง

เซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชันหรือครึ่งเZซnล(ลs)์ร|Zีดnัก2ช+(ันaไqว)|้ท|Cาuง2ด+(้าaนqข)|Cวuา(sโ)ดยมีเส้นคู่ขนาน (||) แสดงการ
แยกกนั ระหว่างอิเลก็ โทรไลต์ของแต่ละคร่งึ เซลล์ในแตล่ ะครึง่ เซลล์ ใชเ้ สน้ เดียว (|) คันระหวา่ งสารท่ี
ไม่ผสมเปน็ เนอ้ื เดยี วกัน เชน่

เซลล์กลั วานกิ ในรูป 11.1 เขียนแสดงแผนภาพเซลลไ์ ดด้ งั นี้

Zn(s)|Zn2+(aq)||Cu2+(aq)|Cu(s)
ปฏิกิรยิ ารดี ักออกซเิ ดชัน ปฏิกริ ยิ ารดี ักชัน

สะพานเกลอื

แผนภาพคร่ึงเซลลท์ ่เี กิดปฏิกิริยาออกซเิ ดชัน : Zn(s)|Zn2+(aq)
แผนภาพคร่ึงเซลลท์ ีเ่ กดิ ปฏิกริ ิยารดี กั ชนั : Cu2+(aq)|Cu(s)

เซลลอ์ ิเลก็ โทรลิตกิ ในรปู 11.2 เขยี นแสดงแผนภาพเซลล์ได้ดงั น้ี
Cu(s)|Cu2+(aq)||Zn2+(aq)|Zn(s)

ปฏกิ ิริยาออกซิเดชัน ปฏกิ ริ ิยารีดักชัน
สะพานเกลอื

แผนภาพครึง่ เซลลท์ ่เี กดิ ปฏกิ ิริยาออกซิเดชัน : Cu(s)|Cu2+(aq)
แผนภาพครึ่งเซลล์ทีเ่ กิดปฏกิ ิรยิ ารีดักชัน : Zn2+(aq)|Zn(s)

2. ในกรณีท่ีสารในครึ่งเซลล์ผสมเป็นเนื้อเดียวกัน จะค่ันด้วยเครื่องหมายจุลภาค (,) รวมทั้งระบุ
สถานะของสารโดยใช้ (s คอื ของแข็ง) (l คอื ของเหลว) (g คือแก๊ส) (aq คือสารละลาย) เชน่

Pt(s)|Fe2+(aq), Fe3+(aq)||Sn4+(aq), Sn2+(aq)|Pt(s)

เป็นแผนภาพเซลล์ที่มีโลหะแพลทินัมเป็นขั้วไฟฟ้า ซ่ึงไม่ทาปฏิกิริยารีดอกซ์ โดยมีปฏิกิริยา

ปฏกิ ริ ิยอาออกอซกเิซดเิ ดชชันนั และปฏิกFริ eยิ 2า+ร(ีดaักqช)นั ข→องเFซeล3ล+์(เaปq็น)ด+ังนe้ี -

ปฏิกิริยารดี ักชนั Sn4+(aq) + 2e- → Sn2+(aq)

ปฏกิ ิรยิ าออกซเิ ดชนั Fe2+(aq) → Fe3+(aq) + e-

ปฏิกริ ยิ ารีดกั ชนั Sn4+(aq) + 2e- → Sn2+(aq)

3. สาหรับคร่ึงเซลล์บางชนิด เช่น ครึ่งเซลล์ท่ีมีแก๊สมาเกี่ยวข้อง จะใช้ขั้วไฟฟ้าเฉื่อยซึ่งทาจากวัสดุ
นาไฟฟ้าที่ไม่ทาปฏกิ ริ ิยากับแก๊สและอิเลก็ โทรไลต์ เชน่ ขัว้ แพลทินมั ขัว้ คารบ์ อน เชน่

Zn(s)|Zn2+(aq)||H+(aq)|H2(g)|Pt(s)

4. แผนภาพเซลลท์ ่สี มบรู ณค์ วรระบุความเขม้ ขน้ ของสารละลาย และความดันของแก๊ส เช่น
Zn(s)|Zn2+(aq, 1 M)||H+(aq, 1 M)|H2 (g, 1 atm)|Pt(s)

5. เซลล์เคมไี ฟฟา้ ท่ีไมม่ ีสะพานเกลอื หรือเยื่อเชื่อมตอ่ ระหวา่ งคร่งึ เซลล์ เขียนแสดง แผนภาพได้ เชน่
Zn(s) | Zn2+(aq) |Zn(s)

ตัวอย่าง 9 เขียนแผนภาพเซลล์กัลวานิกจากปฏกิ ริ ิยาทก่ี าหนดใหต้ ่อไปน้ี

ปฏิกริ ยิ าออกซิเดชนั (แอโนด) Sn(s) → Sn2+(aq) + 2e-
ปฏิกิรยิ ารดี กั ชัน (แคโทด) Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

วิธีทา แผนภาพครง่ึ เซลลท์ ่ีเกิดปฏกิ ริ ยิ าออกซิเดชัน : Sn(s)|Sn2+(aq)
แผนภาพครึ่งเซลลท์ เี่ กิดปฏกิ ิรยิ ารีดักชน่ั : Cu2+(aq)|Cu(s)
ดงั น้นั เขียนแผนภาพเซลลไ์ ด้เป็น : Sn(s)|Sn2+(aq)||Cu2+(aq)|Cu(s)

ตวั อย่าง 10 เขยี นแผนภาพเซลลก์ ลั วานกิ จากปฏกิ ริ ยิ าทกี่ าหนดให้ต่อไปน้ี
Mg(s) + 2Fe3+(aq) → Mg2+(aq) + 2Fe2+(aq)

วิธีทา แผนภาพคร่งึ เซลลท์ ี่เกิดปฏิกริ ิยาออกซเิ ดชนั : Mg(s)|Mg2+(aq)
แผนภาพครง่ึ เซลลท์ ่ีเกดิ ปฏิกริ ิยารีดักชน่ั : Fe3+(aq), Fe2+(aq)|Pt(s)
ดงั นน้ั เขยี นแผนภาพเซลล์ได้เป็น : Mg(s)|Mg2+(aq)|| Fe3+(aq), Fe2+(aq)|Pt(s)

ตวั อยา่ ง 11 เขยี นสมการแสดงปฏกิ ิรยิ าทแ่ี อโนด แคโทด และปฏกิ ิรยิ ารวมของเซลล์
จากแผนภาพเซลล์ ทกี่ าหนดให้ต่อไปนี้

Zn(s)|Zn2+(aq, 1 M)||H+(aq, 1 M)|H2(g, 1 atm)|Pt(s)

วธิ ีทา ปฏิกิริยาออกซเิ ดชัน (แอโนด) Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-
ปฏิกิรยิ ารีดกั ชนั (แคโทด) 2H+(aq) + 2e- → H2(g)
ปฏกิ ิรยิ ารวม Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)

แผนภาพศกั ยไ์ ฟฟา้ เซลล์

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเคล่ือนท่ีจากข้ัวบวกซ่ึงมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าไปยังข้ัวลบซ่ึงมีศักย์ไฟฟ้า
ต่ากว่า ส่วนอิเล็กตรอนจะเคลื่อนท่ีในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสไฟฟ้าเสมอ ผลต่างระหว่าง
ศกั ยไ์ ฟฟา้ ของขว้ั ไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ระหว่างข้ัวไฟฟ้าท้ังสองเรียกว่า ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ (cell
potential, Ecell) มหี นว่ ยเป็นโวลต์ (Volt หรอื V) สามารถวัดได้โดยใช้โวลตม์ เิ ตอร์

รูป 11.4 การตอ่ เซลล์เคมีไฟฟ้ากบั โวลตม์ ิเตอร์ดิจิทัล
(ก) ต่อทองแดงกบั ขั้วบวกและสงั กะสกี ับขัว้ ลบ
(ข) ตอ่ ทองแดงกบั ขว้ั ลบและสังกะสกี บั ขว้ั บวก

โวลล์มิเตอร์เป็นแบบดิจิทัลและต่อกับขั้วท่ีมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าเข้ากับขั้วบวกและต่อข้ัวที่มีศักย์ไฟฟ้าต่า
กว่าเข้ากับข้ัวลบของโวลล์มิเตอร์ ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ท่ีวดั ได้จะเป็นบวก แตถ่ ้าต่อสลับข้ัวศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ท่ีวัด
ไดจ้ ะเปน็ ลบ

รปู ครึ่งเซลลไ์ ฮโดรเจนมาตรฐาน

คร่ึงเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชันของไฮโดรเจนไอออน (H+) ได้แกส๊ ไฮโดรเจน (H2) บนขั้วแพลทินัม
(Pt) ดังรูป 11.4 เรียกว่า คร่ึงเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน (standard hydrogen half cell) นิยมเรียก
กนั ทัว่ ไปวา่ ขั้วไฟฟ้าไฮโดรเจนมาตรฐาน (standard hydrogen electrode, SHE)

(ก) ครงึ่ เซลลท์ องแดงมาตรฐาน (ข)รคปู รก่งึ าเซรตลลอ่ ส์คังรกง่ึ ะเซสลีมลาตไ์ ฮรโฐดารนเจนมาตรฐานกบั
(ก) คร่ึงเซลลท์ องแดงมาตรฐาน (ข) ครึง่ เซลลส์ ังกะสีมาตรฐาน

เมื่อนาครึ่งเซลล์ท่ีต้องการทราบศักย์ไฟฟ้าต่อเข้ากับ SHE ท่ีภาวะในครึ่งเซลล์ท่ีสนใจเข้ากับ
ขั้วบวกของโวลต์มิเตอร์ ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ท่ีวัดได้จะเรียกว่า ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์
รดี ักชัน (standard reduction potential; E0)

ในตาราง 11.3 ซ่ึงแสดงค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์รีดักชัน หากต้องการระบุค่าศักย์ไฟฟ้า
มาตรฐานของครึ่งเซลล์ออกซิเดชัน ซึ่งปฏกิ ิริยาออกซิเดชันท่ีเป็นปฏิกริ ิยาย้อนกลับของปฏิกิริยารีดักชัน
นน้ั จะเป็นตวั เลขเดิมแตม่ ีเครอื่ งหมายตรงกันขา้ ม เช่น

ปฏกิ ริ ยิ ารดี ักชนั : Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s) E0red = -0.76 V
ปฏกิ ริ ิยาออกซเิ ดชัน : Zn(s) → Zn(aq) + 2e- E0ox = +0.76 V

เม่ือนาสองคร่ึงเซลล์ใด ๆ มาต่อกัน สามารถคานวณค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ได้จาก ผลต่างของ
ค่าศักยไ์ ฟฟา้ รดี กั ชันทแี่ คโทด (Ecathode) และแอโนด (Eanode) ดงั น้ี

ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ = ศักยไ์ ฟฟา้ รดี กั ชนั ทแ่ี คโทด - ศกั ย์ไฟฟ้ารีดกั ชันท่ีแอโนด
Ecell = Ecathode - Eanode

ในกรณีท่ีการคานวณใช้ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์รีดักชัน (E0) จากตาราง 11.3
จะได้ค่าศักยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานของเซลล์ (E0cell) ดังน้ี

E0cell = E0cathode – E0anode

ตัวอย่างที่ 12 การต่อครง่ึ เซลล์ Al3+(aq)|Al(s) กับครึ่งเซลล์ Cu2+(aq)|Cu(s)เป็นเซลลก์ ัลวานกิ จะมี

ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลลเ์ ท่าใด
วิธีทา จากตาราง 11.3 ศักย์ไฟฟา้ มาตรฐานของครึ่งเซลล์รดี กั ชนั เป็นดังนี้

Al3+(aq) + 3e- → Al(s) E0 = -1.66 V

Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) E0 = +0.34 V

ในการตอ่ เซลล์กัลวานิก คร่ึงเซลล์ Cu2+(aq)|Cu(s) มคี า่ E0 สงู กวา่ จงึ เกิดปฏกิ รยิ า

รีดกั ชนั (E0cathode) สว่ นคร่งึ เซลล์ Al3+(aq)|Al(s) มคี า่ E0 ตา่ กว่าจงึ เกดิ ปฏิกิรยิ าออกซเิ ดชัน
(Eanode) ศกั ยไ์ ฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์คานวณไดด้ ังน้ี

E0cell = E0cathode – E0anode

= 0.34 V - (-1.66) V

= 2.00 V

ดงั นนั้ เซลล์น้ีมีคา่ ศกั ยไ์ ฟฟ้ามาตรฐาน 2.00 โวลต์

ตวั อย่าง 13 การตอ่ ครึ่งเซลล์ Cu2+(aq)|Cu(s) กับครึ่งเซลล์ Pt(s)|Fe3+(aq), Fe2+(aq) เป็นเซลล์
กัลวานิก จะมคี ่าศกั ยไ์ ฟฟ้ามาตรฐานของเซลลเ์ ทา่ ใด

วธิ ีทา จากตาราง 11.3 ศักยไ์ ฟฟ้ามาตรฐานของครงึ่ เซลล์รีดกั ชันเปน็ ดังน้ี

Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) E0 = +0.34 V

Fe3+(aq) + e- → Fe2+(aq) E0 = +0.77 V

ในการต่อเป็นเซลล์กัลวานิก ครึ่งเซลล์ Pt(s)|Fe3+(aq), Fe2+(aq) มคี ่า E0 สูงกว่าจึง
เกิดปฏิกิริยารีดักชัน (E0cathode) ส่วนครึ่งเซลล์ Cu2+(aq)|Cu(s) มีค่า E0 ต่ากว่าจึงเกดิ ปฏกิ ิริยา
ออกซเิ ดชนั (E0anode) ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์คานวณไดด้ งั นี้

E0cell = E0cathode – E0anode
= 0.77 V - 0.34 V
= 0.43 V

ดงั น้ัน เซลลน์ ี้มคี ่าศักยไ์ ฟฟา้ มาตรฐาน 0.43 โวลต์

ตวั อยา่ ง 14 ใสแ่ ผ่นโลหะสงั กะสี (Zn) ลงในบีกเกอรท์ มี่ สี ารละลายกรดไฮโดรคลอรกิ 1.0 โมลต่อลิตร
1. เขยี นปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชัน ปฏกิ ิริยารดี กั ชัน และปฏกิ ริ ยิ ารีดอกซ์ท่ีเกิดขึน้
2. คานวณค่าศกั ยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานของเซลลท์ ไ่ี ด้จากปฏกิ ริ ิยารีดอกซ์ท่ีเกดิ ขึ้น

วิธีทา 1. ปฏกิ ิรยิ าออกซิเดชนั ปฏกิ ริ ยิ ารีดกั ชนั และปฏิกริ ิยารีดอกซเ์ ปน็ ดงั น้ี

ปฏกิ ิริยาออกซเิ ดชัน Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-

ปฏิกิรยิ ารดี กั ชัน 2H+(aq) + 2e- → H2(g)
ปฏกิ ริ ิยารีดอกซ์ Zn(s) + 2H+(aq) → H2(g) + Zn2+(aq)

2. ศกั ยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานของเซลล์คานวณไดจ้ ากคา่ ศกั ย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลลร์ ีดักช่นั

จาก ตาราง 11.3 ดังน้ี

E0cell = E0cathode – E0anode
= 0.00 V – (-0.76) V

ดังน้นั เซลลน์ ้ีมีคา่ ศักยไ์ ฟฟา้ มาตรฐาน 0.76 โวลต์

ตัวอย่าง 15 คานวณค่าศกั ย์ไฟฟา้ มาตรฐานเม่ือจ่มุ โลหะอะลูมิเนยี ม(AI)ลงในสารละลายคอปเปอร์
(II)ซัลเฟต (CuSO4) ซ่ึงเกิดปฏกิ ริ ิยารีดอกซด์ ังสมการเคมี

2Al(s) + 3Cu2+(aq) → 2Al3+(aq) + 3Cu(s)

วธิ ีทา จากตาราง 11.3 ศักยไ์ ฟฟ้ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์รีดักชนั เปน็ ดังน้ี

AI3+(aq) + 3e- → Al(s) E0 = -1.66 V

หรอื 2AI3+(aq) + 6e- → 2Al(s) E0 = -1.66 V

Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) E0 = +0.34 V

หรือ 3Cu2+(aq) + 6e- → 3Cu(s) E0 = +0.34 V

ขอ้ สังเกต การคูณสมั ประสทิ ธใิ นสมการไมท่ าให้คา่ E0 เปลี่ยนแปลง

ในปฏกิ ริ ิยานี้ คร่งึ เซลล์ Cu2+(aq)|Cu(s) เกิดปฏกิ ริ ิยารดี กั ชัน (E0cathode) สว่ นครึ่งเซลล์
AI3+(aq)|Al(s) เกิดปฏิกริ ยิ าออกซิเดชนั (E0anode) ศกั ย์ไฟฟา้ มาตรฐานของเซลลค์ านวณได้ดงั น้ี

E0cell = E0cathode – E0anode
= 0.34 V - (-1.66) V
= 2.00 V

ดงั น้ัน ปฏิกริ ยิ ารีดอกซน์ ้มี ีค่าศกั ยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานของเซลล์ 2.00 โวลต์