แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 18 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ภาคเรียนที่ 1/2566 รายวิชาเพิ่มเติม เคมี 4 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 หน่วยการเรียนรู้ที่ 11 เคมีไฟฟ้า เวลา 30 ชั่วโมง เรื่อง แผนภาพเซลล์ เวลา 2 ชั่วโมง ครูผู้สอน นางสาวประภัสสร ยุบุญไชย 1. สาระการเรียนรู้และผลการเรียนรู้ สาระที่ 5 สาระเคมี เข้าใจการเขียนและการดุลสมการเคมี ปริมาณสัมพันธ์ในปฏิกิริยาเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี สมดุลในปฏิกิริยาเคมี สมบัติและปฏิกิริยาของกรด-เบส ปฏิกิริยารีดอกซ์และเซลล์เคมีไฟฟ้า รวมทั้งการนำ ความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ ระบุองค์ประกอบของเซลล์เคมีไฟฟ้า และเขียนสมการเคมีของปฏิกิริยาที่แอโนดและ แคโทด ปฏิกิริยารวม และแผนภาพเซลล์ 2. สาระสำคัญ/ความคิดรวบยอด เซลล์เคมีไฟฟ้าประกอบด้วยแอโนด แคโทด และ สารละลายอิเล็กโทรไลต์ซึ่งอาจเชื่อมต่อกันด้วย สะพานเกลือ โดยที่แอโนดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน และแคโทดเกิดปฏิกิริยารีดักชัน ทำให้อิเล็กตรอน เคลื่อนที่ จากแอโนดไปแคโทด เซลล์เคมีไฟฟ้า สามารถเขียนแสดงได้ด้วยแผนภาพเซลล์ 3. จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. นักเรียนสามารถเขียนปฏิกิริยารวม และแผนภาพเซลล์ได้ 2. นักเรียนสามารถเขียนสมการเคมีของปฏิกิริยาที่แอโนดและแคโทดได้ 3. นักเรียนมีความรับผิดชอบต่องานที่ได้รับมอบหมาย 4. สาระการเรียนรู้ เนื่องจากปฏิกิริยารีดอกซ์เป็นปฏิกิริยาที่มีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างสาร ดังนั้นปฏิกิริยารีดอกซ์ จึงสามารถนำมาใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าได้โดยแยกให้ครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชันและครึ่งปฏิกิริยารีดักชัน เกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าในเซลล์เคมีไฟฟ้า (electrochemical cell) ทำให้การถ่ายโอนอิเล็กตรอนไม่ได้เกิดขึ้นโดย ตรงที่ผิวสัมผัสของคู่สารที่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์ จึงสามารถนำอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น หลอดไฟฟ้า โวลต์มิเตอร์มาต่อ ระหว่างขั้วไฟฟ้าเพื่อใช้ประโยชน์จากกระแสไฟฟ้าหรือวัดค่าความต่างศักย์ได้ซึ่งปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกี่ยวข้องกับ พลังงานไฟฟ้าเรียกว่า ปฏิกิริยาเคมี(electrochemical reaction)
5. สมรรถนะสำคัญของผู้เรียน 1. ความสามารถในการสื่อสาร 2. ความสามารถในการคิด 3. ความสามารถในการใช้เทคโนโลยี 6. คุณลักษณะอันพึงประสงค์ 1. ใฝ่เรียนรู้ 2. มีความรับผิดชอบ 7. การจัดกิจกรรมการเรียนรู้ ขั้นสร้างความสนใจ (Engagement) 1. นักเรียนทบทวนความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของแผนภาพเซลล์ดังรูป 2. นักเรียนตอบคำถามเกี่ยวกับรูปภาพ 1) เขียนครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e - 2) เขียนครึ่งปฏิกิริยารีดักชัน Cu2+(aq) + 2e - → Cu(s) ขั้นสำรวจและค้นหา (Exploration) 1. ครูให้นักเรียนศึกษาแผนภาพเซลล์ ในหนังสือเรียนเคมี องค์ประกอบและหน้าที่ของสารที่เกี่ยวข้อง ในปฏิกิริยาเคมีของเซลล์เคมีไฟฟ้า สามารถแสดงได้ด้วยแผนภาพเซลล์ (cell notation) ซึ่งเขียนครึ่งเซลล์ที่ เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือครึ่งเซลล์ออกซิเดชันไว้ทางด้านซ้าย และครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชันหรือครึ่ง เซลล์รีดักชันไว้ทางด้านขวา โดยมีเส้นคู่ขนาน (II) แสดงการแยกกันระหว่างอิเล็กโทรไลต์ของแต่ละครึ่งเซลล์ ในแต่ละครึ่งเซลล์ใช้เส้นเดียว (I) คั่นระหว่างสารที่ไม่ผสมเป็นเนื้อเดียวกัน เช่น เซลล์กัลป์วานิกในรูป 11.1 เขียนแสดงแผนภาพเซลล์ได้ดังนี้ Zn(s) I Zn2+(aq) II Cu2+(aq) I Cu(s) ปฏิกิริยาออกซิเดชัน ปฏิกิริยารีดักชัน สะพานเกลือหรือเยื่อ
แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน : Zn(s) I Zn2+(aq) แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน : Cu2+(aq) I Cu(s) เซลล์กัลป์วานิกในรูป 11.2 เขียนแสดงแผนภาพเซลล์ได้ดังนี้ Cu(s) I Cu2+(aq) II Zn2+(aq) I Zn(s) ปฏิกิริยาออกซิเดชัน ปฏิกิริยารีดักชัน สะพานเกลือหรือเยื่อ แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน : Cu(s) I Cu2+(aq) แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน : Zn2+(aq) I Zn(s) 2. นักเรียนศึกษาในกรณีที่สารผสมเป็นเนื้อเดียวกัน 1) ในกรณีสารในครึ่งเซลล์ผสมเป็นเนื้อเดียวกัน จะคั่นด้วยเครื่องหมายจุลภาค (,) เช่น Pt(s) I Fe2+(aq), Fe3+(aq) II Sn4+(aq), Sn2+(aq) I Pt(s) เป็นแผนภาพเซลล์ที่มีโลหะแพลทินัมเป็นขั้วไฟฟ้า ซึ่งไม่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์โดยมีปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชันของเซลล์เป็นดังนี้ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน Fe2+(aq) → Fe3+(aq) + e - ปฏิกิริยารีดักชัน Sn4+(aq) + 2e - → Sn2+(aq) ขั้นอธิบายและลงข้อสรุป (Explanation) 1. ครูให้นักเรียนสรุปการเขียนแผนภาพเซลล์ กรณีที่ 1 สารไม่ผสมเป็นเนื้อเดียวกัน เขียนครึ่งเซลล์ออกซิเดชันไว้ทางด้านซ้าย และครึ่งเซลล์รีดักชัน ไว้ทางด้านขวา โดยมีเส้นคู่ขนาน (II) แสดงการแยกกันระหว่างอิเล็กโทรไลต์ของแต่ละครึ่งเซลล์ ในแต่ละครึ่ง เซลล์ใช้เส้นเดียว (I) คั่นระหว่างสารที่ไม่ผสมเป็นเนื้อเดียวกัน กรณีที่ 2 สารในครึ่งเซลล์ผสมเป็นเนื้อเดียวกัน จะคั่นด้วยเครื่องหมายจุลภาค (,) ส่วนใหญ่จะใช้โลหะ แพลทินัมเป็นขั้วไฟฟ้า ซึ่งไม่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์แผนภาพเซลล์ที่สมบูรณ์ควรระบุความเข้มข้นของสารละลาย และความดันของแก๊สด้วย 2. นักเรียนศึกษาตัวอย่างการเขียนแผนภาพเซลล์ในหนังสือเรียนหน้า 114 ตัวอย่างที่ 9 – 11 ดังนี้ ตัวอย่างที่ 9 เขียนแผนภาพเซลล์กัลวานิกจากปฏิกิริยาที่กำหนดให้ต่อไปนี้ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (แอโนด) Sn(s) → Sn2+(aq) + 2e - ปฏิกิริยารีดักชัน (แคโทด) Cu2+(aq) + 2e - → Cu(s) วิธีทำ แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน : Sn(s) I Sn2+(aq) แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน : Cu2+(aq) I Cu(s) ดังนั้น เขียนแผนภาพรวมได้เป็น Sn(s) I Sn2+(aq) II Cu2+(aq) I Cu(s)
ตัวอย่างที่ 10 เขียนแผนภาพเซลล์กัลวานิกจากปฏิกิริยาที่กำหนดให้ต่อไปนี้ Mg(s) + 2Fe3+(aq) → Mg2+(aq) + 2Fe2+(aq) วิธีทำ แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน : Mg(s) I Mg2+(aq) แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน : Fe3+(aq) I Fe2+(aq) ดังนั้น เขียนแผนภาพรวมได้เป็น Mg(s) I Mg2+(aq) II Fe3+(aq) I Fe2+(aq) ตัวอย่างที่ 11 เขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่แอโนด แคโทด และปฏิกิริยารวมของเซลล์ จากแผนภาพ เซลล์ที่กำหนดให้ต่อไปนี้ Zn(s) I Zn2+(aq, 1 M) II H + (aq, 1 M) I H2 (g, 1 atm) I Pt(s) วิธีทำ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (แอโนด) Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e - ปฏิกิริยารีดักชัน (แคโทด) 2H + (aq) + 2e - → H2 (g) ปฏิกิริยารวม Zn(s) + 2H + (aq) → Zn2+(aq) + H2 (g) ขั้นขยายความรู้ (Elaboration) 1. นักเรียนทำแบบฝึกหัด 11.4 โดยมีคำถามดังนี้ 1) จากแผนภาพเซลล์กัลวานิกที่กำหนดให้ จงเขียนสมการเคมีของปฏิกิริยาที่แอโนด แคโทด และ ปฏิกิริยารวมของเซลล์ 1.1 Fe(s) I Fe2+(aq) II Cl- (aq) I Cl2 (g) I Pt(s) ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (แอโนด) Fe(s) → Fe2+(aq) + 2e - ปฏิกิริยารีดักชัน (แคโทด) Cl2 (g) + 2e - → 2Cl- (aq) ปฏิกิริยารวม Fe(s) + Cl2 (g) → Fe2+(aq) + 2Cl- (aq) 1.2 Pt(s) I Sn2+(aq), Sn4+(aq) II Cr3+(aq), Cr2+(aq) I Pt(s) ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (แอโนด) Sn2+(aq) → Sn4+(aq) + 2e - ปฏิกิริยารีดักชัน (แคโทด) Cr3+(aq) + e - → Cr2+(aq) ปฏิกิริยารวม Sn2+(aq) + Cr3+(aq) → Sn4+(aq) + Cr2+(aq) 2) เขียนแผนภาพเซลล์จากปฏิกิริยาที่กำหนดให้ต่อไปนี้ 2.1) 2Cr(s) + 3Fe2+(aq) → 2Cr3+(aq) + 3Fe(s) แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน : Cr(s) I Cr3+(aq) แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน : Fe2+(aq) I Fe(s) ดังนั้น เขียนแผนภาพเซลล์ได้เป็น : Cr(s) I Cr3+(aq) II Fe2+(aq) I Fe(s) 2.2) H2 (g) + 2Ag+ (aq) → 2H + (aq) + 2Ag(s) แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน : Pt(s) I H2 (g) I H + (aq)
แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน : Ag+ (aq) I Ag(s) ดังนั้น เขียนแผนภาพเซลล์ได้เป็น : Pt(s) I H2 (g) I H + (aq) II Ag+ (aq) I Ag(s) 3. ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนสอบถามในหัวข้อที่ยังไม่เข้าใจ ขั้นประเมิน (Evaluation) 1. นักเรียนทำแบบฝึกหัด 11.4 8. สื่อ/แหล่งการเรียนรู้ 1. หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ เคมี 4 2. สไลด์การสอน เรื่อง แผนภาพเซลล์ 9. การวัดผลและประเมินผล จุดประสงค์ วิธีการวัด/เครื่องมือวัด เกณฑ์การประเมิน 1. ด้านความรู้ (K) 1. นักเรียนสามารถเขียนปฏิกิริยา รวม และแผนภาพเซลล์ได้ - การตอบคำถาม ในชั้นเรียน -แบบฝึกหัด 11.4 - ข้อคำถาม - แบบฝึกหัด 11.4 - ได้คะแนนร้อยละ 70 ขึ้นไป 2. ด้านทักษะ/กระบวนการคิด (P) 1. นักเรียนสามารถเขียนสมการเคมี ของปฏิกิริยาที่แอโนดและแคโทดได้ -แบบฝึกหัด 11.4 - แบบฝึกหัด 11.4 - ได้คะแนนร้อยละ 70 ขึ้นไป 3. ด้านคุณลักษณะอันพึงประสงค์ (A) 1. นักเรียนมีความรับผิดชอบต่องาน ที่ได้รับมอบหมาย - การสังเกต - แ บ บ ป ร ะ เ มิ น คุณลักษณะอันพึง ประสงค์ - ได้คะแนนในระดับ 3 (ดี) ขึ้นไป
แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 19 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ภาคเรียนที่ 1/2566 รายวิชาเพิ่มเติม เคมี 4 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 หน่วยการเรียนรู้ที่ 11 เคมีไฟฟ้า เวลา 30 ชั่วโมง เรื่อง ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ เวลา 3 ชั่วโมง ครูผู้สอน นางสาวประภัสสร ยุบุญไชย 1. สาระการเรียนรู้และผลการเรียนรู้ สาระที่ 5 สาระเคมี เข้าใจการเขียนและการดุลสมการเคมี ปริมาณสัมพันธ์ในปฏิกิริยาเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี สมดุลในปฏิกิริยาเคมี สมบัติและปฏิกิริยาของกรด-เบส ปฏิกิริยารีดอกซ์และเซลล์เคมีไฟฟ้า รวมทั้งการนำ ความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ 1. ระบุองค์ประกอบของเซลล์เคมีไฟฟ้า และ เขียนสมการเคมีของปฏิกิริยาที่แอโนดและ แคโทด ปฏิกิริยารวม และแผนภาพเซลล์ 2. คำนวณค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์และระบุประเภทของเซลล์เคมีไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้า และ ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น 2. สาระสำคัญ/ความคิดรวบยอด เซลล์เคมีไฟฟ้าประกอบด้วยแอโนด แคโทด และสารละลายอิเล็กโทรไลต์ซึ่งอาจเชื่อมต่อกันด้วย สะพานเกลือ โดยที่แอโนดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและแคโทดเกิดปฏิกิริยารีดักชัน ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ จากแอโนดไปแคโทด เซลล์เคมีไฟฟ้าสามารถเขียนแสดงได้ด้วยแผนภาพเซลล์ ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์คำนวณได้จากค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ถ้าค่าศักย์ไฟฟ้า ของเซลล์เป็นบวก แสดงว่าปฏิกิริยารีดอกซ์เกิดขึ้นได้เอง ซึ่งทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเรียกเซลล์ชนิดนี้ว่า เซลล์กัล วานิก แต่ถ้าค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เป็นลบ แสดงว่าปฏิกิริยารีดอกซ์ไม่สามารถเกิดได้เอง ต้องมีการให้ กระแสไฟฟ้าจึงจะเกิดปฏิกิริยาได้เซลล์ชนิดนี้เรียกว่าเซลล์อิเล็กโทรลิติก 3. จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. นักเรียนสามารถระบุขั้วไฟฟ้า และเขียนปฏิกิริยาออกซิเดชัน ปฏิกิริยารีดักชัน และปฏิกิริยารีดอกซ์ ได้(K) 2. นักเรียนสามารถเปรียบเทียบความสามารถในการเป็นตัวออกซิไดส์และตัวรีดิวซ์ได้(K) 3. นักเรียนสามารถทดลองหาศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ได้(P) 4. นักเรียนสามารถคำนวณค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์(P) 5. นักเรียนสามารถทำงานร่วมกับผู้อื่นได้ และรับผิดชอบต่องานที่ได้รับมอบหมาย (A)
4. สาระการเรียนรู้ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่จากขั้วบวกซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าไปยังขั้วลบซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า ส่วน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสไฟฟ้าเสมอ ดังนั้นในเซลล์กัลป์วานิกของ Zn(s) │Zn2+(aq) ││ Cu2+(aq) │ Cu(s) ซึ่งมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากขั้วลบหาสังกะสี(Zn) ไปยังขั้วโลหะทองแดง (Cu) แสดงว่าขั้วโลหะสังกะสีมีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าขั้วโลหะทองแดง ผลต่างระหว่างศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าหรือ ความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองเรียกว่า ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์(cell potential, Ecell) มีหน่วยเป็นโวลต์ (Volt หรือ V) สามารถวัดได้โดยใช้โวลต์มิเตอร์ 5. สมรรถนะสำคัญของผู้เรียน 1. ความสามารถในการสื่อสาร 2. ความสามารถในการคิด 3. ความสามารถในการใช้เทคโนโลยี 6. คุณลักษณะอันพึงประสงค์ 1. ใฝ่เรียนรู้ 2. มีความรับผิดชอบ 7. การจัดกิจกรรมการเรียนรู้ ขั้นสร้างความสนใจ (Engagement) 1.นักเรียนทบทวนเกี่ยวกับแผนภาพเซลล์ โดยใช้คำถามดังนี้ 1) จากรูปภาพ โลหะใดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน และมีสารใดเป็นสารอิเล็กโทรไลต์ (แนวคำตอบ: โลหะสังกะสี (Zn) ทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เรียกว่า แอโนด (Anode) โดยมีสารละลายซิงค์ซัลเฟต (ZnSO4 ) เป็นอิเล็กโทรไลต์)
2) จากรูปภาพ โลหะใดเกิดปฏิกิริยารีดักชัน และมีสารใดเป็นสารอิเล็กโทรไลต์(โลหะทองแดง (Cu) ทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน เรียกว่า แคโทด (Cathode) โดยมีสารละลายคอป เปอร์(II) ซัลเฟตเป็นอิเล็กโทรไลต์) 3) จงเขียนแผนภาพเซลล์จากปฏิกิริยา เขียนครึ่งเซลล์ออกซิเดชัน และครึ่งเซลล์รีดักชัน แผนภาพเซลล์ Zn(s) │Zn2+(aq) ││Cu2+(aq) │ Cu(s) ปฏิกิริยาออกซิเดชัน Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e - ปฏิกิริยารีดักชัน Cu2+(aq) + 2e - → Cu(s) ขั้นสำรวจและค้นหา (Exploration) 1. นักเรียนศึกษาหมายหมายของศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ (อธิบาย: เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่จาก ขั้วบวกซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าไปยังขั้วลบซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า ส่วนอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้าม กับกระแสไฟฟ้าเสมอ ดังนั้นในเซลล์กัลป์วานิกของ Zn(s) │Zn2+(aq) ││ Cu2+(aq) │ Cu(s) ซึ่งมี อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากขั้วลบหาสังกะสี (Zn) ไปยังขั้วโลหะทองแดง (Cu) แสดงว่าขั้วโลหะสังกะสีมีศักย์ไฟฟ้า ต่ำกว่าขั้วโลหะทองแดง ผลต่างระหว่างศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสอง เรียกว่า ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ (cell potential, Ecell) มีหน่วยเป็นโวลต์ (Volt หรือ V) สามารถวัดได้โดยใช้ โวลต์มิเตอร์) 2. นักเรียนแบ่งกลุ่ม 6 กลุ่ม จากนั้นให้นักเรียนแต่ละกลุ่มแบ่งหน้าที่กันภายในกลุ่ม เช่น หัวหน้ากลุ่ม คนจดบันทึก คนไปรับอุปกรณ์ คนสังเกต เป็นต้น โดยครูจะมีเข็มกลัดแต่ละหน้าที่ให้นักเรียน (กลุ่มเดิมในคาบ เรียนที่แล้ว แต่เปลี่ยนหน้าที่รับผิดชอบภายในกลุ่ม) 3. นักเรียนออกมารับอุปกรณ์และแบบบันทึกผลการทดลอง เรื่อง การทดลองวัดศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ เคมีไฟฟ้า 4. นักเรียนตรวจสอบอุปกรณ์ และศึกษาวิธีการทดลอง ดังนี้ ขั้นตอนการทดลอง 1) ขัดแผ่นโลหะสังกะสี (Zn) และโลหะทองแดง (Cu) ด้วยกระดาษทราย ใช้กระดาษเยื่อเช็ดเศษ โลหะที่ติดอยู่กับแผ่นโลหะออก 2) จุ่มแผ่นโลหะทองแดง (Cu) ลงในบีกเกอร์ที่มีสารละลายคอปเปอร์(II)ซัลเฟต (CuSO4 ) ปริมาตร 20 มิลลิลิตร และจุ่มแผ่นโลหะสังกะสี (Zn) ลงในบีกเกอร์ที่มีสารละลายซิงค์ซัลเฟต (ZnSO4 ) ปริมาตร 20 มิลลิลิตร 3) นำบีกเกอร์ที่มีโลหะจุ่มอยู่ในสารละลายที่เตรียมไว้ในข้อ 2 มาวางชิดกัน ใช้กระดาษกรองที่ชุบ สารละลายอิ่มตัวของโพแทสไนเตรต (KNO3 ) เป็นสะพานเกลือ โดยวางพาดบีกเกอร์ทั้งสองให้ปลายกระดาษ จุ่มในสารละลายของแต่ละบีกเกอร์ 4) ต่อแผ่นโลหะทองแดง (Cu) และแผ่นโลหะสังกะสี (Zn) เข้ากับมิเตอร์ สังเกตทิศทางการเบนของ เข็มมิเตอร์และอ่านค่าความต่างศักย์ที่ได้
5) สลับขั้วของมิเตอร์ สังเกตทิศทางการเบนของเข็มและอ่านค่าความต่างศักย์ที่ได้ 5. นักเรียนแต่ละกลุ่มร่วมกันปฏิบัติการทดลอง กิจกรรม 11.3 การทดลองวัดค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ เคมีไฟฟ้า ขั้นอธิบายและลงข้อสรุป (Explanation) 1.นักเรียนแต่ละกลุ่มบันทึกผลการทดลองลงในแบบบันทึกผลการทดลอง ตัวอย่างผลการทดลอง เข็มของมิเตอร์เบนเข้าหาขั้วโลหะทองแดง และค่าตัวเลขที่วัดได้ตามผลการทดลอง จริง *** หมายเหตุ ที่สภาวะมาตรฐาน ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ Zn(s)│Zn2+││Cu2+│Cu(s) คือ 1.10 โวลต์ อย่างไรก็ตามค่าที่วัดได้จากการทดลองของนักเรียนอาจมีค่าเบี่ยงเบนไปจากนี้เล็กน้อย เนื่องจาก ปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความบริสุทธิ์ของสารและขั้วโลหะที่ใช้ ความแม่นยำของเครื่องมือวัดค่าศักย์ไฟฟ้า อุณหภูมิที่ ทำการทดลอง 2. นักเรียนแต่ละกลุ่มร่วมกันแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับผลการทดลอง พร้อมเปรียบเทียบความ เหมือนและความแตกต่างระหว่างผลการทำนายและผลการทดลอง 3. นักเรียนส่งตัวแทนกลุ่มนำเสนอผลการทดลองของกลุ่มตนเอง 4. นักเรียนร่วมกันแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับผลการทดลองและแลกเปลี่ยนความรู้ซึ่งกันและกัน จาก การสนทนาเกี่ยวกับผลการทดลองของแต่ละกลุ่ม โดยครูคอยให้คำแนะนำเพิ่มเติม 5. นักเรียนร่วมกันตอบคำถามท้ายการทดลอง ดังนี้ 1) เขียนแผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชันและแผนภาพ เซลล์ ครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันคือ Zn(s)│Zn2+ ซึ่งเป็นแอโนด ครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชันคือ Cu2+│Cu(s) ซึ่งเป็นแคโทด แผนภาพเซลล์ Zn(s)│Zn2+││Cu2+│Cu(s) ระบุทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและกระแสไฟฟ้า (แนวคำตอบ: อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากขั้วโลหะ สังกะสี (Zn) ไปยังขั้วโลหะทองแดง (Cu) 3) ทิศทางการเบนของเข็มมิเตอร์สอดคล้องกับทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนหรือกระแสไฟฟ้า หรือไม่ (แนวคำตอบ: สอดคล้อง เนื่องจากเข็มเบนเข้าหาขั้วโลหะทองแดง ซึ่งอิเล็กตรอนก็เคลื่อนที่เข้าหา ขั้วโลหะทองแดงด้วย) 4) ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์มีค่าเท่าใดพร้อมทั้งระบุขั้วใดมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าและสูงกว่าอยู่เท่าใด (ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์มีค่าเท่ากับ 1.10 โวลต์ ขั้วโลหะทองแดงมีค่าศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าขั้วโลหะสังกะสี)
ขั้นขยายความรู้ (Elaboration) 1. นักเรียนตอบคำถาม “นักเรียนสามารถวัดค่าศักย์ไฟฟ้าของแต่ละครึ่งเซลล์ได้โดยตรงหรือไม่ เพราะ เหตุใด” (แนวคำตอบ: ไม่ได้ เพราะค่าที่วัดได้เป็นค่าความต่างศักย์ระหว่าง 2 ครึ่งเซลล์หรือเป็นค่าศักย์ไฟฟ้า ของเซลล์) 2. นักเรียนศึกษาเกี่ยวกับการกำหนดค่าศักย์ไฟฟ้าของแต่ละครึ่งเซลล์ และองค์ประกกอบของครึ่ง เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน อธิบาย ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เป็นค่าความต่างศักย์ของ 2 ครึ่งเซลล์ซึ่งสามารถวัดได้โดยใช้โวลต์มิเตอร์ แต่ค่า ศักย์ไฟฟ้าของแต่ละครึ่งเซลล์ไม่สามารถวัดได้โดยตรง ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงกำหนดครึ่งเซลล์อ้างอิงที่มี ศักย์ไฟฟ้าเป็น 0 โวลต์โดยใช้ครึ่งเซลล์ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชันของไฮโดรเจนไอออน (H + ) และแก๊สไฮโดรเจน (H2 ) บนขั้วบวกแพลทินัม (Pt) เรียกว่า ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard hydrogen half-cell) นิยม เรียกกันทั่วไปว่า ขั้วไฟฟ้าไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard hydrogen electrode, SHE) เมื่อนำครึ่งเซลล์ที่ต้องการทราบจากไฟฟ้าต่อเข้ากับ SHE ที่ภาวะมาตรฐาน โดยต่อขั้วโลหะในครึ่ง เซลล์ที่สนใจเข้ากับขั้วโลหะของโวลต์มิเตอร์ ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่วัดได้จะเรียกว่า ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของ ครึ่งเซลล์รีดักชัน (Standard reduction potential; E 0 ) 3. นักเรียนศึกษาตารางค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์รีดักชัน เพื่อใช้ในการคำนวณหา ศักย์ไฟฟ้า และใช้เปรียบเทียบความสามารถในการเป็นตัวออกซิไดส์หรือตัวรีดิวซ์ได้ 4. นักเรียนศึกษาวิธีการคำนวณค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ เมื่อนำสองเซลล์ใด ๆ มาต่อกัน สามารถคำนวณค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ได้จาก ผลต่างของค่า ศักย์ไฟฟ้ารีดักชันที่แคโทด (Ecathode) และแอโนด (Eanode) ดังนี้ ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ = Ecathode - Eanode
สำหรับเซลล์ Zn(s)│Zn2+││Cu2+│Cu(s) สามารถคำนวณค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ได้ดังนี้ Ecell 0 = ECu2+/Cu - EZn2+/Zn Ecell 0 = 0.34 V – (-0.76) V Ecell 0 = +1.10 V ค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ Zn(s)│Zn2+(aq)││Cu2+(aq)│Cu(s) คือ 1.10 โวลต์ ซึ่งมี ค่าเป็นบวก แสดงว่าปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นได้เองและเป็นเซลล์กัลป์วานิก หากต้องการให้ปฏิกิริยารีดอกซ์ เกิดในทิศทางตรงกันข้ามหรือเป็นเซลล์อิเล็กโทรลิติก ปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นจะมีศักย์ไฟฟ้าเป็น -1.10 โวลต์ นั่นคือปฏิกิริยาไม่สามารถเกิดขึ้นได้เอง ถ้าต้องการให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นจะต้องมีการใส่แหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มี อีเอ็มเอฟมากกว่า 1.10 โวลต์ โดยให้ขั้วบวกของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าต่อกับโลหะทองแดงและขั้วลบต่อกับโลหะ สังกะสี ตัวอย่างการคำนวณ ตัวอย่างที่ 12 การต่อครึ่งเซลล์ Al3+(aq)│Al(s) กับครึ่งเซลล์ Cu2+(aq)│Cu(s) เป็นเซลล์กัลวา นิก จะมีค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์เท่าใด Al3+(aq) + 3e - → Al(s) E 0 = -1.66 V Cu2+(aq) + 2e - → Cu(s) E 0 = +0.34 V ในการต่อเซลล์กัลป์วานิก ครึ่งเซลล์ Cu2+(aq)│Cu(s) มีค่า E 0 สูงกว่าจึงเกิดปฏิกิริยารีดักชัน ส่วน ครึ่งเซลล์ Al3+(aq)│Al(s) มีค่า E 0 ต่ำกว่าจึ่งเกิดปฏิกิริยาอออกซิเดชัน ศํกย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ คำนวณได้ดังนี้ Ecell 0 = Ecathode - Eanode = 0.34 V – (-1.66) V = 2.00 V ตัวอย่างที่ 14 ใส่โลหะสังกะสี (Zn) ลงในบีกเกอร์ที่มีสารละลายกรดไฮโดรคลอริก 1.0 โมลต่อลิตร เขียนปฏิกิริยาออกซิเดชัน ปฏิกิริยารีดักชัน และปฏิกิริยารีดอกซ์ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e - ปฏิกิริยารีดักชัน 2H + (aq) + 2e - → H2 (g) ปฏิกิริยารีดอกซ์ Zn(s) + 2H + (aq) → H2 (g) + Zn2+(aq) ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์คำนวณได้จากค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานครึ่งเซลล์รีดักชัน ดังนี้ Ecell 0 = Ecathode - Eanode = 0.00 V – (-0.76) V = 0.76 V
ตัวอย่างที่ 15 คำนวณค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานเมื่อจุ่มโลหะอะลูมีเนียม (Al) ลงในสารละลายคอปเปอร์ (II)ซัลเฟต ซึ่งเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ดังสมการ. 2Al(s) + 3Cu2+(aq) → 2Al3+(aq) + 3Cu(s) Ecell 0 = Ecathode - Eanode = 0.34 V – (-0.1.66) V = 2.00 V 5. ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนสอบถามในหัวข้อที่ยังไม่เข้าใจ ขั้นประเมิน (Evaluation) 1. ครูให้นักเรียนแต่ละคนพิจารณาว่า จากหัวข้อที่เรียนและการทำกิจกรรม มีจุดใดบ้างที่ยังไม่เข้าใจ หรือยังมีข้อสงสัย ถ้ามีครูช่วยอธิบายเพิ่มเติมให้นักเรียนเข้าใจ 2. นักเรียนทำแบบฝึกหัด 11.5 8. สื่อ/แหล่งการเรียนรู้ 1. หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ เคมี 4 2. แบบบันทึกผลการทดลองกิจกรรม 11.3 การทดลองวัดค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เคมีไฟฟ้า 3. แบบฝึกหัด 11.5 9. การวัดผลและประเมินผล จุดประสงค์ วิธีการวัด เครื่องมือวัด เกณฑ์การประเมิน 1. ด้านความรู้ (K) 1. นักเรียนสามารถระบุขั้วไฟฟ้า และเขียนปฏิกิริยาออกซิเดชัน ปฏิกิริยารีดักชัน และปฏิกิริยารีดอกซ์ ได้ 2. นักเรียนสามารถเปรียบเทียบ ความสามารถในการเป็นตัวออกซิไดส์ และตัวรีดิวซ์ได้ - การตอบคำถาม ในชั้นเรียน - แบบฝึกหัด 11.5 - ข้อคำถาม - แบบฝึกหัด 11.5 - ได้คะแนนร้อยละ 70 ขึ้นไป 2. ด้านทักษะ/กระบวนการคิด (P) 1. นักเรียนสามารถทดลองหา ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ได้ 2. นักเรียนสามารถคำนวณค่า ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ - ตรวจใบงาน - กิจกรรมการ ทดลอง - แบบฝึกหัด 11.5 - แบบบันทึกผลการ ทดลอง - ได้คะแนนร้อยละ 70 ขึ้นไป
3. ด้านคุณลักษณะอันพึงประสงค์ (A) 1. นักเรียนสามารถทำงานร่วมกับ ผู้อื่นได้ และรับผิดชอบต่องานที่ได้รับ มอบหมาย - การสังเกต - แบบประเมิน คุณลักษณะอันพึง ประสงค์ - ได้คะแนนในระดับ 3 (ดี) ขึ้นไป
แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 20 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ภาคเรียนที่ 1/2566 รายวิชาเพิ่มเติม เคมี 4 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 หน่วยการเรียนรู้ที่ 11 เคมีไฟฟ้า เวลา 30 ชั่วโมง เรื่อง ประโยชน์ของเซลล์เคมีไฟฟ้า (แบตเตอรี่) เวลา 2 ชั่วโมง ครูผู้สอน นางสาวประภัสสร ยุบุญไชย 1. สาระการเรียนรู้และผลการเรียนรู้ สาระที่ 5 สาระเคมี เข้าใจการเขียนและการดุลสมการเคมี ปริมาณสัมพันธ์ในปฏิกิริยาเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี สมดุลในปฏิกิริยาเคมี สมบัติและปฏิกิริยาของกรด-เบส ปฏิกิริยารีดอกซ์และเซลล์เคมีไฟฟ้า รวมทั้งการนำ ความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ อธิบายหลักการทำงาน และเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาของเซลล์ปฐมภูมิและเซลล์ทุติยภูมิ 2. สาระสำคัญ/ความคิดรวบยอด เซลล์เคมีไฟฟ้าสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ในชีวิตประจำวัน เช่น แบตเตอรี่ซึ่งมีทั้งเซลล์ปฐมภูมิและ เซลล์ทุติยภูมิโดยปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ปฐมภูมิไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้โดยการ ประจุไฟ จึงไม่สามารถนำกลับมาใช้ได้อีก ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ทุติยภูมิสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยา ย้อนกลับได้โดยการประจุไฟ จึงนำกลับมาใช้ได้อีก 3. จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. นักเรียนสามารถอธิบายความหมายของเซลล์ปฐมภูมิและเซลล์ทุติยภูมิได้(K) 2. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการทำงานของเซลล์ปฐมภูมิและเซลล์ทุติยภูมิได้(K) 3. นักเรียนสามารถเขียนสมการเคมีแสดงปฏิกิริยาของเซลล์ปฐมภูมิและเซลล์ทุติยภูมิได้(P) 4. นักเรียนสามารถทำงานร่วมกับผู้อื่นได้ และรับผิดชอบต่องานที่ได้รับมอบหมาย (A) 4. สาระการเรียนรู้ หลักการของเซลล์เคมีไฟฟ้าทั้งเซลล์กัลวานิกและเซลล์อิเล็กโทรลิติกสามารถนำมาประยุกต์ใช้ใน อุตสาหกรรม เช่น การผลิตแบตเตอรี่ การป้องกันการกัดก่อนของโลหะ การชุบโลหะ การแยกสารเคมีด้วย กระแสไฟฟ้า การทำโลหะให้บริสุทธิ์เป็นต้น แบตเตอรี่ (Battery) เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วย เซลล์เคมีไฟฟ้าตั้งแต่ 1 เซลล์ขึ้นไปเพื่อให้พลังงาน ไฟฟ้าแก่อุปกรณ์ชนิดอื่น โดยแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ เซลล์ปฐมภูมิ(primary cell) ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้
หมดแล้วไม่สามารถนำกลับมาใช้ได้อีก และเซลล์ทุติยภูมิ(secondary cell) ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้แล้วสามารถ นำมาประจุ (charge) ใหม่ได้ 5. สมรรถนะสำคัญของผู้เรียน 1. ความสามารถในการสื่อสาร 2. ความสามารถในการคิด 3. ความสามารถในการใช้เทคโนโลยี 6. คุณลักษณะอันพึงประสงค์ 1. ใฝ่เรียนรู้ 2. มีความรับผิดชอบ 7. การจัดกิจกรรมการเรียนรู้ ขั้นสร้างความสนใจ (Engagement) 1. นักเรียนตอบคำถามเพื่อกระตุ้นความคิดก่อนเรียน โดยมีคำถามดังนี้ 1) นักเรียนเคยเห็นวัสดุหรืออุปกรณ์ที่ใช้หลักการของเซลล์เคมีไฟฟ้าอะไรบ้าง ในชีวิตประจำวัน (แนว คำตอบ: แบตเตอรี่หรือถ่านไฟฉาย) 2) นักเรียนยกตัวอย่างแบตเตอรี่ที่รู้จัก พร้อมยกตัวอย่างการใช้ประโยชน์ของแบตเตอรี่นั้น 3) แบตเตอรี่ที่ยกตัวอย่างนั้น ใช้หลักการของเซลล์เคมีไฟฟ้าใด ขั้นสำรวจและค้นหา (Exploration) 1. นักเรียนศึกษาประเภทและความแตกต่างของแบตเตอรี่ประเภทเซลล์ปฐมภูมิและเซลล์ทุติยภูมิ ตามรายละเอียดในหนังสือ ดังนี้ แบตเตอรี่ (Battery) เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วย เซลล์เคมีไฟฟ้าตั้งแต่ 1 เซลล์ขึ้นไปเพื่อให้พลังงาน ไฟฟ้าแก่อุปกรณ์ชนิดอื่น โดยแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ เซลล์ปฐมภูมิ (primary cell) ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้ หมดแล้วไม่สามารถนำกลับมาใช้ได้อีก และเซลล์ทุติยภูมิ (secondary cell) ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้แล้วสามารถ นำมาประจุ (charge) ใหม่ได้แบตเตอรี่มีส่วนประกอบของเซลล์ ปฏิกิริยาเคมีภายในเซลล์ และลักษณะการใช้ งานที่หลากหลายดังนี้ แบตเตอรี่ซิงค์-คาร์บอน หรือถ่านไฟฉาย ถ่านไฟฉายเป็นเซลล์ปฐมภูมิ มีลักษณะเป็นเซลล์แห้งที่ ประกอบด้วยแมงกานีส(IV)ออกไซด์(MnO2 ) เคลือบบนแท่งแกรไฟต์ (C) ทำหน้าที่เป็นแคโทด ของผสม แอมโมเนียมคลอไรด์ (NH4 Cl) และซิงค์คลอไรด์ (ZnCl2 ) ในแป้งเปียกทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ บรรจุใน กล่องสังกะสี (Zn) ซึ่งทำหน้าที่เป็นแอโนด
ระหว่างการใช้งานมีปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ดังนี้ แอโนด : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e - แคโทด : 2MnO2 (s) + 2NH4 + (aq) + 2e - → Mn2O3 (s) + 2NH3 (g) + H2O(l) ปฏิกิริยารวม : Zn(s) + 2MnO2 (s) + 2NH4 + (aq) → Zn2+(aq) + Mn2O3 (s) + 2NH3 (g) + H2O(l) ถ่านไฟฉายให้อีเอ็มเอฟประมาณ 1.5 โวลต์ เมื่อใช้งานไปนาน ๆ ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นทำให้โลหะ สังกะสีกัดกร่อนมีน้ำและแอมโมเนียเป็นผลิตภัณฑ์รวมอยู่ด้วย ซึ่งอาจทำให้เกิดแรงดันหรือรั่วไหลออกมาทำให้ เครื่องใช้ไฟฟ้าเกิดความเสียหายได้ ดังนั้น จึงควรตรวจลักษณะของถ่านไฟฉายอยู่เสมอและไม่ควรทิ้งไว้ใน อุปกรณ์ไฟฟ้าเป็นเวลานาน แบตเตอรี่แอลคาไลน์ เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในแบตเตอรี่ซิงค์-คาร์บอนมีสภาวะเป็นกรดสามารถ กัดกร่อนกล่องสังกะสีได้ ทำให้มีอายุการเก็บและการใช้งานค่อนข้างสั้น จึงมีการใช้เบสของโลหะอัลคาไลน์ เช่น NaOH หรือ KOH เป็นอิเล็กโทรไลต์แทน NH4 Cl และ ZnCl2 และเรียกแบตเตอรี่นี้ว่า แบตเตอรี่อัลคาไลน์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้ แอโนด : Zn(s) + 2OH- (aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e - แคโทด : 2MnO2 (s) + H2O(l) + 2e - → Mn2O3 (s) + 2OH- (aq) ปฏิกิริยารวม : Zn(s) + 2MnO2 (s) → ZnO(s) + Mn2O3 (s) แบตเตอรี่แอลคาไลน์มีแคโทดและแอโนดเป็นสารชนิดเดียวกันกับแบตเตอรี่ซิงค์-คาร์บอนและให้ อีเอ็มเอฟใกล้เคียงกันคือประมาณ 1.5 โวลต์ ดังนั้นแบตเตอรี่ประเภทนี้จึงนำมาใช้งานคล้ายกับแบตเตอรี่ซิงค์- คาร์บอน โดยมีอายุการเก็บและการใช้งานที่นานกว่า แต่มีราคาสูงกว่า แบตเตอรี่ซฺลเวอร์ออกไซด์เป็นแบตเตอรี่ที่มีส่วนประกอบและหลักการเกิดปฏิกิริยาคล้ายกับแบตเตอรี่ แอลคาไลน์คือ แอโนดเป็นสังกะสี แต่มีแคโทดเป็น Ag2 O แทน MnO2
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้ แอโนด : Zn(s) + 2OH- (aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e - แคโทด : Ag2 O(s) + H2O(l) + 2e - → 2Ag(s) + 2OH- (aq) ปฏิกิริยารวม : Zn(s) + Ag2 O(s) → ZnO(s) + 2Ag(s) แบตเตอรี่ซิลเวอร์ออกไซด์เป็นเซลล์ปฐมภูมิขนาดเล็ก ให้อีเอ็มเอฟคงที่ประมาณ 1.5 โวลต์ ตลอดอายุ การใช้งาน แบตเตอรี่ชนิดนี้มีราคาสูงแต่ใช้งานได้นาน นิยมใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดเล็ก เช่น นาฬิกาข้อมือ เครื่องคิดเลข เครื่องช่วยฟัง แบตเตอรี่ตะกั่ว แบตเตอรี่ตะกั่วพบได้ทั่วไป เช่น ใช้สำรองไฟคอมพิวเตอร์ ใช้เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ แบตเตอรี่ตะกั่วที่ใช้ในรถยนต์ส่วนบุคคลมักประกอบด้วยเซลล์กัลวานิก 6 เซลล์ต่อกันแบบอนุกรม โดยแต่ละ เซลล์มีแผ่นตะกั่วเป็นแอโนด มีแผนตะกั่วที่เคลือบด้วย PbO2 เป็นแคโทด และ H2 SO4 เป็นอิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่ตะกั่วจ่ายไฟ (discharge) ได้โดยเกิดปฏิกิริยาดังนี้ แอโนด : Pb(s) + SO4 2- (aq) → PbSO4 (s) + 2e - แคโทด : PbO2 + 4H + (aq) + SO4 2- (aq) + 2e - → PbSO4 (s) + 2H2O(l) ปฏิกิริยารวม : Pb(s) + PbO2 + 4H + (aq) + 2SO4 2- (aq) → 2PbSO4 (s) + 2H2O(l) แต่ละเซลล์ในแบตเตอรี่ตะกั่วให้อีเอ็มเอฟประมาณ 2 โวลต์ เมื่อนำทั้ง 6 เซลล์มาต่อกันแบบอนุกรม จะให้อีเอ็มเอฟรวมประมาณ 12 โวลต์ ปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการจ่ายไฟ ให้ผลิตภัณฑ์เป็น PbSO4 ซึ่งเป็นของแข็งเกาะอยู่บนขั้วไฟฟ้าทั้งสอง ทั้งนี้สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ง่ายโดยการให้ กระแสไฟฟ้าจากภายนอกหรือที่เรียกว่าการประจุ ในรถยนต์จะมีอุปกรณ์ที่สามารถประจุให้กับแบตเตอรี่ระหว่างที่รถยนต์เคลื่อนที่ซึ่งทำให้เกิดปฏิกิริยา ย้อนกลับของปฏิกิริยาการจ่ายไฟ ดังนี้
แคโทด : PbSO4 (s) + 2e - → Pb(s) + SO4 2- (aq) แอโนด : PbSO4 (s) + 2H2O(l) → PbO2 + 4H + (aq) + SO4 2- (aq) + 2e - ปฏิกิริยารวม : 2PbSO4 (s) + 2H2O(l) → Pb(s) + PbO2 + 4H + (aq) + 2SO4 2- (aq) แบตเตอรี่ตะกั่วจัดเป็นเซลล์ทุติยภูมิซึ่งสามารถจ่ายไฟและประจุไฟได้หลายรอบ มีอายุการใช้งาน ระยะเวลาหนึ่ง แต่เนื่องจากการหลุดล่อนของ PbSO4 จากแผ่นตะกั่วทำให้ขั้วไฟฟ้าสึกกร่อนไปเรื่อย ๆ จน เสื่อมสภาพไม่สามารถประจุได้อีก แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน เป็นแบตเตอรี่สามารถประจุได้ มีลิเทียมไอออนเป็นองค์ประกอบของ ขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์ ตัวอย่างปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างการจ่ายไฟของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนเป็นดังนี้ แอโนด : LiC6 → Li+ + e - + C6 แคโทด : Li+ + CoO2 + e - → LiCoO2 ปฏิกิริยารวม : LiC6 + CoO2 → C6 + LiCoO2 แบตเตอรี่ลิเลียมไอออนให้อีเอ็มเอฟประมาณ 3.2 – 3.8 โวลต์ นิยมนำมาใช้กับคอมพิวเตอร์แบบ พกพา โทรศัพท์มือถือ เนื่องจากสามารถเก็บประจุได้มาก ประจุไฟได้เร็ว และน้ำหนักเบา ตัวอย่าง แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนในอุปกรณ์ต่าง ๆ ขั้นอธิบายและลงข้อสรุป (Explanation) 1. นักเรียนทำแบบตรวจสอบความเข้าใจ 1) การประจุของแบตเตอรี่ทุติยภูมิ ใช้หลักการของเซลล์กัลป์วานิกหรืออิเล็กโทรลิติก เพราะเหตุใด (แนวคำตอบ: ใช้หลักการของเซลล์อิเล็กโทรลิติก เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีไม่สามารถเกิดขึ้นได้เอง ต้องใช้ พลังงานไฟฟ้าจากภายนอกเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมี) 2) จากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างการจ่ายไฟของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน จงเขียนปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ แอโนด แคโทด และปฏิกิริยารวมระหว่างการประจุ แคโทด : Li+ + e - + C6 → LiC6 แอโนด : LiCoO2 → Li+ + CoO2 + e - ปฏิกิริยารวม : C6 + LiCoO2 → LiC6 + CoO2
3) ระหว่างการจ่ายไฟของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ธาตุใดมีเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้นและธาตุใดมีเลข ออกซิเดชันลดลง (แนวคำตอบ: ธาตุคาร์บอนมีเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้น ส่วนธาตุโคบอลต์มีเลขออกซิเดชัน ลดลง) 2. ครูให้นักเรียนศึกษาความหมายของเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิง เซลล์กัลป์วานิกที่ปฏิกิริยารีดอกซ์ คือ ปฏิกิริยาการเผาไหม้เชื้อเพลิงโดยให้เชื้อเพลิงเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่แอโนดและ O2 เกิดปฏิกิริยา รีดักชันที่แคโทด เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแรกเป็นเซลล์เชื้อเพลิงแบบแอลคาไลน์ (alkaline fuel cells, AFC) ใช้ แก๊สให้โดรเจนกับออกซิเจนเป็นสารตั้งต้น โดยมีอิเล็กโทรไลต์เป็นสารละลายเบสและได้ผลิตภัณฑ์เป็นน้ำ จึง ถือว่าเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากไม่มีการปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ส่วนประกอบและปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงแบบแอลคาไลน์เป็นดังนี้ แอโนด : 2H2 (g) + 4OH- (aq) → 4H2O(l) + 4e - แคโทด : O2 (g) + 2H2O(l) + 4e - → 4OH- (aq) ปฏิกิริยารวม : 2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O(l) ต่อมามีการพัฒนาเป็นเซลล์เชื้อเพลิงแบบอื่น ๆ เช่น เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (proton exchange membrane fuel cells,PEMFC) ส่วนประกอบและปฏิกิริยาเคมีในเชื้อเพลิงแบบเยื่อ แลกเปลี่ยนโปรตอนเป็นดังนี้
แอโนด : 2H2 (g) → 4H + (aq) + 4e - แคโทด : O2 (g) + 4H + (aq) + 4e - → 2H2O(l) ปฏิกิริยารวม : 2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O(l) เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้เชื้อเพลิงในการเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานกลได้อย่างมี ประสิทธิภาพมากกว่าการเผาไหม้ปกติ เนื่องจากมีการสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อนน้อยกว่า โดยเซลล์ เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนทำงานได้ที่อุณหภูมิและความดันต่ำกว่าเซลล์เชื้อเพลิงแบบแอลคาไลน์ มี การใช้เยื่อพอลิเมอร์ซึ่งเป็นของแข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์จึงไม่เกิดการรั่วไหล ไม่เกิดการกัดกร่อน และน้ำหนักเบา รวมทั้งยังออกแบบให้มีขนาดเล็กได้ ในปัจจุบันจึงได้รับความสนใจที่จะพัฒนามาใช้เป็นแหล่งกำเนิดพลังงาน สำหรับยานพาหนะและอุปกรณ์ไฟฟ้าในบ้าน ขั้นขยายความรู้ (Elaboration) 1. นักเรียนเปรียบเทียบความเหมือนและความแตกต่างของเซลล์เชื้อเพลิงแบบแอลคาไลน์และเซลล์ เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน โดยประเด็นที่เปรียบเทียบ เช่น ชนิดของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ ปฏิกิริยารี ดอกซ์ที่เกิดขึ้น การนำไปใช้งาน ความปลอดภัย เป็นต้น 2. นักเรียนทำแบบฝึกหัด 11.6 ในหนังสือเรียนหน้า 136 มีคำถามดังนี้ 1) จงเขียนแผนผังเวนน์เปรียบเทียบความเหมือนและความแตกต่างระหว่างเซลล์ปฐมภูมิกับเซลล์ทุติย ภูมิ 2) เพราะเหตุใดเมื่อใช้แบตเตอรี่ตะกั่วไปนาน ๆ จึงไม่สามารถประจุได้อีก (แนวคำตอบ: เพราะ PbSO4 ที่เกิดจากการจ่ายไฟบางส่วนไม่เกาะหรือหลุดออกจากขั้วไฟฟ้าทำให้แผ่นตะกั่วกร่อนจนไม่สามารถ ประจุได้อีก) 3) เปรียบเทียบค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์เชื้อเพลงแบบแอลคาไลน์และแบบเยื่อและเปลี่ยน โปรตอน เชื้อเพลิงแบบแอลคาไลน์ แอโนด : 2H2 (g) + 4OH- (aq) → 4H2O(l) + 4e - E 0 = -0.83 V แคโทด : O2 (g) + 2H2O(l) + 4e - → 4OH- (aq) E 0 = +0.40 Ecell 0 = 0.40 – (-0.83) = 1.23 V เชื้อเพลิงแบบเยื่อและเปลี่ยนโปรตอน แอโนด : H2 (g) → 2H + (aq) + 2e - E 0 = 0.00 V แคโทด : O2 (g) + 4H + (aq) + 4e - → 2H2O(l) E 0 = +1.23 V Ecell 0 = 1.23 – 0.00 = 1.23 V ขั้นประเมิน (Evaluation) 1. นักเรียนทำแบบตรวจสอบความรู้ระหว่างเรียน 2. นักเรียนทำแบบฝึกหัด 11.6
8. สื่อ/แหล่งการเรียนรู้ 1. หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ เคมี 4 2. แบบฝึกหัด 11.6 9. การวัดผลและประเมินผล จุดประสงค์ วิธีการวัด/เครื่องมือวัด เกณฑ์การประเมิน 1. ด้านความรู้ (K) 1. นักเรียนสามารถอธิบาย ความหมายของเซลล์ปฐมภูมิและเซลล์ ทุติยภูมิได้ 2. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการ ทำงานของเซลล์ปฐมภูมิและเซลล์ทุติย ภูมิได้ - การตอบคำถาม ในชั้นเรียน -แบบฝึกหัด11.6 - แบบตรวจสอบ ความเข้าใจ - ข้อคำถาม - แบบฝึกหัด 11.6 - แบบตรวจสอ บ ความเข้าใจ - ได้คะแนนร้อยละ 70 ขึ้นไป 2. ด้านทักษะ/กระบวนการคิด (P) 1. นักเรียนสามารถเขียนสมการเคมี แสดงปฏิกิริยาของเซลล์ปฐมภูมิและ เซลล์ทุติยภูมิได้ - ตรวจใบงาน - แบบตรวจสอบ ความเข้าใจ - แบบฝึกหัด 11.6 - แบบตรวจสอ บ ความเข้าใจ - ได้คะแนนร้อยละ 70 ขึ้นไป 3. ด้านคุณลักษณะอันพึงประสงค์ (A) 1. นักเรียนสามารถทำงานร่วมกับ ผู้อื่นได้ และรับผิดชอบต่องานที่ได้รับ มอบหมาย - การสังเกต - แ บ บ ป ร ะ เ มิ น คุณลักษณะอันพึง ประสงค์ - ได้คะแนนในระดับ 3 (ดี) ขึ้นไป
แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 21 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ภาคเรียนที่ 1/2566 รายวิชาเพิ่มเติม เคมี 4 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 หน่วยการเรียนรู้ที่ 11 เคมีไฟฟ้า เวลา 30 ชั่วโมง เรื่อง การกัดกร่อนของโลหะและการป้องกัน (การชุบโลหะ) เวลา 3 ชั่วโมง ครูผู้สอน นางสาวประภัสสร ยุบุญไชย 1. สาระการเรียนรู้และผลการเรียนรู้ สาระที่ 5 สาระเคมี เข้าใจการเขียนและการดุลสมการเคมี ปริมาณสัมพันธ์ในปฏิกิริยาเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี สมดุลในปฏิกิริยาเคมี สมบัติและปฏิกิริยาของกรด-เบส ปฏิกิริยารีดอกซ์และเซลล์เคมีไฟฟ้า รวมทั้งการนำ ความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ ทดลองชุบโลหะและแยกสารเคมีด้วยกระแส ไฟฟ้า และอธิบายหลักการทางเคมีไฟฟ้าที่ใช้ในการชุบ โลหะ การแยกสารเคมีด้วยกระแส ไฟฟ้า การทำโลหะให้บริสุทธิ์และการป้องกัน การกัดกร่อนของโลหะ 2. สาระสำคัญ/ความคิดรวบยอด เซลล์อิเล็กโทรลิติกสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ทั้งในชีวิตประจำวัน และในอุตสาหกรรมหลาย ประเภท เช่น การชุบโลหะ การแยกสารเคมีด้วยกระแสไฟฟ้า การทำโลหะให้บริสุทธิ์ การป้องกันการกัดกร่อน ของโลหะ 3. จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. นักเรียนสามารถอธิบายภาวะที่ทำให้โลหะเกิดการผุกร่อนได้(K) 2. นักเรียนสามารถบอกวิธีการป้องกันการกัดกร่อนของโลหะได้(K) 3. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการชุบโลหะโดยใช้เซลล์อิเล็กโทรลิติกได้(K) 4. นักเรียนสามารถทดลองการชุบโลหะโดยใช้เซลล์อิเล็กโทรลิติกได้(P) 5. นักเรียนมีความรับผิดชอบต่องานที่ได้รับมอบหมายและสามารถทำงานร่วมกับผู้อื่นได้(A) 4. สาระการเรียนรู้ เครื่องมือเครื่องใช้วัสดุอุปกรณ์ต่าง ๆ หรือสิ่งก่อสร้างที่ทำด้วยโลหะหรือมีโลหะเป็นส่วนประกอบ เมื่อใช้งานไประยะหนึ่งมักพบปัญหาการผุกร่อนหรือเกิดสนิม ซึ่งกระบวนการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา รีดอกซ์ โดยโลหะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับแก๊สออกซิเจน เกิดปฏิกิริยารีดักชันได้เป็นออกไซด์ของโลหะที่ หลุดล่อนจากผิวโลหะได้ง่าย
การเคลือบผิวของวัสดุด้วยโลหะหรือการชุบโลหะ (electroplating) เพื่อป้องกันการเกิดสนิมหรือ ตกแต่งพื้นวัสดุให้สวยงาม ทำได้โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าไปยังวัสดุที่ต้องการชุบที่จุ่มอยู่ในสารละลายอิเล็กโทร ไลต์ 5. สมรรถนะสำคัญของผู้เรียน 1. ความสามารถในการสื่อสาร 2. ความสามารถในการคิด 6. คุณลักษณะอันพึงประสงค์ 1. ใฝ่เรียนรู้ 2. มีความรับผิดชอบ 7. การจัดกิจกรรมการเรียนรู้ ขั้นสร้างความสนใจ (Engagement) 1. ครูกระตุ้นความสนใจโดยการให้นักเรียนสังเกตภาพอุปกรณ์เครื่องมือ เครื่องใช้ ที่ครูนำมาเป็น ตัวอย่างและตอบคำถาม ดังนี้ 1) ให้นักเรียนอธิบายความแตกต่างของรูปทั้งสอง พร้อมบอกสาเหตุที่ทำให้ทั้งสองภาพมีความ แตกต่างกัน (แนวคำตอบ: เครื่องมือเครื่องใช้ วัสดุอุปกรณ์ต่าง ๆ หรือสิ่งก่อสร้างที่ทำด้วยโลหะหรือมีโลหะเป็น ส่วนประกอบ เมื่อใช้งานไประยะหนึ่งมักพบปัญหาการผุกร่อนหรือเกิดสนิม) ขั้นสำรวจและค้นหา (Exploration) 1. นักเรียนศึกษากระบวนการกัดกร่อนหรือเกิดสนิม เครื่องมือเครื่องใช้ วัสดุอุปกรณ์ต่าง ๆ หรือ สิ่งก่อสร้างที่ทำด้วยโลหะหรือมีโลหะเป็นส่วนประกอบ เมื่อใช้งานไประยะหนึ่งมักพบปัญหาการผุกร่อนหรือ เกิดสนิม เช่น สนิมเหล็ก สนิมทองแดง หลังคาสังกะสีผุกร่อน ซึ่งกระบวนการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยารี ดอกซ์ โดยโลหะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับแก๊สออกซิเจน เกิดปฏิกิริยารีดักชันได้เป็นออกไซด์ของโลหะที่หลุด
ล่อนจากผิวโลหะได้ง่าย เช่น การเกิดสนิมเหล็ก เกิดจากผิวของเหล็กสัมผัสและเกิดปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจน และน้ำ ซึ่งในกระบวนการนี้ จะเกิดจาก Fe ให้อิเล็กตรอนกับ O2 เกิดเป็น Fe2+ ดังสมการเคมี ปฏิกิริยาออกซิเดชัน : 2Fe(s) → 2Fe2+(aq) + 4e - ปฏิกิริยารีดักชัน : O2 (g) + 2H2O(l) + 4e - → 4OH- (aq) ปฏิกิริยารวม : 2Fe(s) + O2 (g) + 2H2O(l) → 2Fe2+(aq) + 4OH- (aq) Fe2+(aq) และ OH- (aq) เกิดปฏิกิริยาได้ Fe(OH)2 ที่ไม่ละลายน้ำ แต่สามารถทำปฏิกิริยากับน้ำและออกซิเจน ในอากาศต่อไปได้ Fe(OH)3 และเปลี่ยนไปเป็น Fe2O3 ที่มีโมเลกุลของน้ำอยู่ในโครงผลึก ซึ่งมีสูตรทั่วไปเป็น Fe2O3 ∙nH2O และเรียกว่าสนิมเหล็ก ดังรูป 2. นักเรียนศึกษาการเกิดสนิมเหล็กในธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ นอกจากนี้ในธรรมชาติยังพบว่าแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) ในอากาศยังเป็นปัจจัยเสริมที่ทำให้เกิดสนิม เหล็ก เนื่องจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ละลายน้ำแล้วเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (H2 CO3 ) ซึ่งแตกตัวให้ H + ทำให้ O2 เกิดปฏิกิริยารีดักชันในสภาวะกรด ดังสมการ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน : 2Fe(s) → 2Fe2+(aq) + 4e - ปฏิกิริยารีดักชัน : O2 (g) + 4H + (aq) + 4e - → 2H2O(l) ปฏิกิริยารวม : 2Fe(s) + O2 (g) + 4H + (aq) → 2Fe2+(aq) + 2H2O(l) 3. นักเรียนทำแบบตรวจสอบความเข้าใจ โดยมีคำถามดังนี้ คำนวณค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ให้ Fe2+ ในกระบวนการเกิดสนิมเหล็ก 1) ในภาวะที่เป็นกลาง 2Fe(s) + O2 (g) + 2H2O(l) → 2Fe2+(aq) + 4OHคำนวณค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของปฏิกิริยารีดอกซ์ได้ดังนี้ Ecell 0 = 0.40 – (-0.40) = 0.84 V 2) ในภาวะที่เป็นกรด 2Fe(s) + O2 (g) + 4H + (aq) → 2Fe2+(aq) + 2H2O(l) คำนวณค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของปฏิกิริยารีดอกซ์ได้ดังนี้ Ecell 0 = 1.23 – (-0.44) = 1.67 V
3. นักเรียนศึกษาการชุบโลหะ การเคลือบผิวของวัสดุด้วยโลหะหรือการชุบโลหะ (electroplating) เพื่อป้องกันการเกิดสนิมหรือตกแต่งพื้นวัสดุให้สวยงาม ทำได้โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าไปยังวัสดุที่ต้องการชุบที่ จุ่มอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ 4. นักเรียนศึกษากิจกรรม 11.4 การทดลองชุบเหล็กด้วยสังกะสี (หรือศึกษาจากวีดิโอตัวอย่าง https://www.youtube.com/watch?v=V0Tk1078efs) 5. นักเรียนรับอุปกรณ์การทดลองที่ครูเตรียมไว้ให้และทำการทดลอง โดยครูเป็นผู้คอยแนะนำและให้ คำปรึกษา ขั้นอธิบายและลงข้อสรุป (Explanation) 1. นักเรียนสรุปผลการทดลอง ตัวอย่างผลการทดลอง โลหะ ผลการสังเกต แผ่นสังกะสี แผ่นสังกะสีส่วนที่จุ่มอยู่ในสารละลายกร่อน สังเกตเห็นผิวขรุขระเล็กน้อย ตะปูเหล็ก ขณะที่อยู่ในสารละลายจะเห็นว่าที่ของแข็งมา เกาะที่ผิวตะปูเหล็ก เมื่อนำตะปูเหล็กออกมา วางบนกระจกนาฬิกาและตั้งไว้ให้แห้ง พบว่า มีสารสีเทาเงินเกาะที่ตะปูเหล็ก 2. นักเรียนตอบคำถามท้ายการทดลอง 1) ขั้วไฟฟ้าใดเป็นแอโนดและขั้วไฟฟ้าใดเป็นแคโทด 2) เขียนสมการเคมีแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง 3) โลหะที่ต้องการชุบและโลหะที่ใช้ชุบควรต่อกับขั้วไฟฟ้าใดตามลำดับ 4) ความเข้มข้นของสารละลายอิเล็กโทรไลต์เปลี่ยนแปลงหรือไม่ เพราะเหตุใด 3. นักเรียนสรุปขั้นตอนการชุบโลหะด้วยไฟฟ้าเป็นหลักการได้ดังนี้ 1) ต่อวัตถุที่ต้องการชุบกับขั้วลบของแบตเตอรี่ และให้โลหะที่ใช้ชุบต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่ ซึ่งทำ ให้วัตถุที่ต้องการชุบเป็นแคโทด และโลหะที่ใช้ชุบเป็นแอโนด 2) สารละลายอิเล็กโทรไลต์ต้องมีไอออนของโลหะที่ใช้ชุบ 3) ใช้ไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปในทิศทางเดียว ขั้นขยายความรู้ (Elaboration) 1. ครูให้นักเรียนบอกวิธีการป้องกันการกัดกร่อนของโลหะ นอกจากนี้ปฏิกิริยารีดอกซ์ยังเกิดได้ง่ายขึ้น ในภาวะที่มีอิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นเหล็กที่อยู่บริเวณชายทะเลจึงเกิดสนิมได้เร็ว นอกจากเหล็กแล้วยังมีโลหะบาง
ชนิดที่สามารถเกิดการผุกร่อนหรือเกิดสนิมได้เมื่อสัมผัสกับแก๊สออกซิเจนและความชื้น วิธีการป้องกันการกัด กลอนของโลหะสามารถทำได้ดังนี้ 1) เคลือบผิวของโลหะด้วยสารที่ป้องกันการสัมผัสกับแก๊สออกซิเจนและน้ำ เช่น น้ำมัน สีพลาสติก 2) ทำให้โลหะมีภาวะเป็นแคโทดหรือคล้ายแคโทด โดยพันโลหะที่ไม่ต้องการให้เกิดสนิมด้วยโลหะที่มี ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์รีดักชันต่ำกว่า หรือต่อเข้ากับขั้วลบของแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงให้ทำ หน้าที่เป็นแอโนด จึงให้อิเล็กตรอนแทนโลหะที่ไม่ต้องการให้เกิดสนิม 3) ชุบโลหะหรือผสมด้วยโลหะชนิดอื่น ที่เมื่อเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันแล้วทำให้เกิดเป็นสารประกอบ ออกไซด์ที่ยึดติดผิวโลหะได้แน่นไม่หลุดล่อน เช่น การชุบเหล็กด้วยโครเมียม ดีบุก หรือนิกเกิล หรือการทำ เหล็กกล้าไร้สนิมด้วยการผสมเหล็กกับธาตุชนิดอื่น 2. นักเรียนทำแบบตรวจสอบความเข้าใจ โดยมีคำถามดังนี้ การป้องกันการเกิดสนิมของท่อเหล็กที่ฝั่งไว้ใต้ดินโดยใช้โลหะแมกนีเซียม ดังรูป จงเขียนปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชันที่เกิดขึ้น ปฏิกิริยาออกซิเดชัน : 2Mg(s) → 2Mg2+(aq) + 4e - ปฏิกิริยารีดักชัน : O2 (g) + 4H + (aq) + 4e - → 2H2O(l) ขั้นประเมิน (Evaluation) 1. นักเรียนทำแบบตรวจสอบความรู้ระหว่างเรียน 2. นักเรียนทำกิจกรรม 11.4 การทดลองชุบเหล็กด้วยสังกะสี 8. สื่อ/แหล่งการเรียนรู้ 1. หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ เคมี 4 2. แบบบันทึกผลการทดลอง 3. อุปกรณ์การทดลอง
9. การวัดผลและประเมินผล จุดประสงค์ วิธีการวัด/เครื่องมือวัด เกณฑ์การประเมิน 1. ด้านความรู้ (K) 1. นักเรียนสามารถอธิบาย ภาวะที่ทำให้โลหะเกิดการผุกร่อนได้ 2. นักเรียนสามารถบอกวิธีการ ป้องกันการกัดกร่อนของโลหะได้ 3. นักเรียนสามารถอธิบาย หลักการชุบโลหะโดยใช้เซลล์อิเล็กโทรลิ ติกได้ - การตอบ คำถามในชั้น เรียน - แบบ ตรวจสอบความ เข้าใจ - แบบบันทึกผล การทดลอง - ข้อคำถาม - แบบตรวจสอบ ความเข้าใจ - แบบบันทึกผลการ ทดลอง - ได้คะแนนร้อยละ 70 ขึ้นไป 2. ด้านทักษะ/กระบวนการคิด (P) 1. นักเรียนสามารถทดลองการ ชุบโลหะโดยใช้เซลล์อิเล็กโทรลิติกได้ - แบบบันทึกผล การทดลอง - แบบบันทึกผลการ ทดลอง - ได้คะแนนร้อยละ 70 ขึ้นไป 3. ด้านคุณลักษณะอันพึงประสงค์ (A) 1. นักเรียนมีความรับผิดชอบต่อ งานที่ได้รับมอบหมาย 2. นักเรียนสามารถทำงาน ร่วมกับผู้อื่นได้ - การสังเกต - แบบประเมิน คุณลักษณะอันพึง ประสงค์ - ได้คะแนนในระดับ 3 (ดี) ขึ้นไป
แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 22 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ภาคเรียนที่ 1/2566 รายวิชาเพิ่มเติม เคมี 4 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 หน่วยการเรียนรู้ที่ 11 เคมีไฟฟ้า เวลา 30 ชั่วโมง เรื่อง การกัดกร่อนของโลหะและการป้องกัน (การแยกสลายด้วยไฟฟ้า) เวลา 3 ชั่วโมง ครูผู้สอน นางสาวประภัสสร ยุบุญไชย 1. สาระการเรียนรู้และผลการเรียนรู้ สาระที่ 5 สาระเคมี เข้าใจการเขียนและการดุลสมการเคมี ปริมาณสัมพันธ์ในปฏิกิริยาเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี สมดุลในปฏิกิริยาเคมี สมบัติและปฏิกิริยาของกรด-เบส ปฏิกิริยารีดอกซ์และเซลล์เคมีไฟฟ้า รวมทั้งการนำ ความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ ทดลองชุบโลหะและแยกสารเคมีด้วยกระแส ไฟฟ้า และอธิบายหลักการทางเคมีไฟฟ้าที่ใช้ในการชุบ โลหะ การแยกสารเคมีด้วยกระแส ไฟฟ้า การทำโลหะให้บริสุทธิ์และการป้องกัน การกัดกร่อนของโลหะ 2. สาระสำคัญ/ความคิดรวบยอด เซลล์อิเล็กโทรลิติกสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ทั้งในชีวิตประจำวัน และในอุตสาหกรรมหลาย ประเภท เช่น การชุบโลหะ การแยกสารเคมีด้วยกระแสไฟฟ้า การทำโลหะให้บริสุทธิ์ การป้องกันการกัดกร่อน ของโลหะ 3. จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการแยกสลายสารเคมีด้วยไฟฟ้าได้(K) 2. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการทำโลหะให้บริสุทธิ์ได้(K) 3. นักเรียนสามารถทดลองการแยกสลายสารเคมีด้วยไฟฟ้าได้(P) 4. นักเรียนมีความรับผิดชอบต่องานที่ได้รับมอบหมายและสามารถทำงานร่วมกับผู้อื่นได้(A) 4. สาระการเรียนรู้ เครื่องมือเครื่องใช้วัสดุอุปกรณ์ต่าง ๆ หรือสิ่งก่อสร้างที่ทำด้วยโลหะหรือมีโลหะเป็นส่วนประกอบ เมื่อใช้งานไประยะหนึ่งมักพบปัญหาการผุกร่อนหรือเกิดสนิม ซึ่งกระบวนการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา รีดอกซ์ โดยโลหะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับแก๊สออกซิเจน เกิดปฏิกิริยารีดักชันได้เป็นออกไซด์ของโลหะที่ หลุดล่อนจากผิวโลหะได้ง่าย
การเคลือบผิวของวัสดุด้วยโลหะหรือการชุบโลหะ (electroplating) เพื่อป้องกันการเกิดสนิมหรือ ตกแต่งพื้นวัสดุให้สวยงาม ทำได้โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าไปยังวัสดุที่ต้องการชุบที่จุ่มอยู่ในสารละลายอิเล็กโทร ไลต์ 5. สมรรถนะสำคัญของผู้เรียน 1. ความสามารถในการสื่อสาร 2. ความสามารถในการคิด 6. คุณลักษณะอันพึงประสงค์ 1. ใฝ่เรียนรู้ 2. มีความรับผิดชอบ 7. การจัดกิจกรรมการเรียนรู้ ขั้นสร้างความสนใจ (Engagement) 1. ครูกระตุ้นความสนใจนักเรียนโดยใช้คำถาม และเพื่อทบทวนความรู้ 1) ถ้าใช้ไฟฟ้ากระแสสลับแทนไฟฟ้ากระแสตรง จะสามารถชุบโลหะได้หรือไม่ เพราะเหตุใด (แนว คำตอบ: ไม่ได้ เพราะการใช้ไฟฟ้ากระแสสลับทำให้ขั้วไฟฟ้าที่ต่อกับวัตถุที่ต้องการชุบสลับไปมาระหว่างแคโทด กับแอโนด จึงเกิดทั้งปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชันบนวัตถุดังกล่าว) 2) ถ้าต้องการชุบกลอนประตูเหล็กด้วยโครเมียมจะทำอย่างไร (แนวคำตอบ: ต่อกลอนประตูเหล็กกับ ขั้วลบ (แคโทด) ของแบตเตอรี่ และต่อแผ่นโลหะโครเมียมกับขั้วบวก (แอโนด) ของแบตเตอรี่ ใช้สารละลาย Cr3+ เป็นอิเล็กโทรไลต์)
ขั้นสำรวจและค้นหา (Exploration) 1. นักเรียนศึกษาการแยกสลายด้วยไฟฟ้า กระบวนการที่เกิดขึ้นในเซลล์อิเล็กโทรลิติกที่ทำให้ได้สาร ใหม่ เรียกว่า การแยกสลายด้วยไฟฟ้า หรือ อิเล็กโทรลิซิส (electrolysis) ซึ่งนำมาใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรม เพื่อผลิตสารเคมีที่ต้องการ 2. ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่างการแยกสลายสารด้วยไฟฟ้า การแยกสลายโซเดียมคลอไรด์หลอมเหลวด้วยไฟฟ้า โลหะโซเดียมและแก๊สคลอรีนสามารถเตรียมขึ้น โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าให้แก่โซเดียมคลอไรด์หลอมเหลว ซึ่งเกิดปฏิกิริยารีดักชันและออกซิเดชันที่ขั้วไฟฟ้า ดังสมการต่อไปนี้ แคโทด โซเดียมไอออนเกิดปฏิกิริยารีดักชันดังสมการ 2Na+ (l) + 2e - → 2Na(s) แอโนด คลอไรด์ไอออนเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันดังสมการ 2Cl- (l) → Cl2 (g) + 2e - ปฏิกิริยารวม 2Na+ (l) + 2Cl- (l) → Cl2 (g) + 2Na(s) Ecell 0 = Ecathode 0 - Eanode 0 = -2.71 – 1.36 = -4.07 V โลหะโซเดียมและแก๊สคลอรีนเป็นสารที่ว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมีมาก จึงไม่สามารถเตรียมได้จาก กระบวนการถลุงแร่ที่ใช้ทั่วไปกับธาตุบางชนิด 3. นักเรียนทำแบบตรวจสอบความเข้าใจ โดยมีคำถามดังนี้ 1) ขั้วไฟฟ้าใดเกิดโลหะโซเดียมและขั้วโลหะใดเกิดแก๊สคลอรีน (เนื่องจากเป็นเซลล์อิเล็กโทรลิติก ดังนั้น ขั้วบวกจึงเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันให้แก๊สคลอรีน ส่วนขั้วลบจึงเกิดปฏิกิริยารีดักชันให้โลหะโซเดียม) 2) การผลิตโลหะโซเดียมและแก๊สคลอรีน จากโซเดียมคลอไรด์หลอมเหลว ต้องใช้แหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่ มีอีเอ็มเอฟมากกว่าเท่าใด (4.07 โวลต์) 4. นักเรียนศึกษาการทดลองการแยกสลายสารละลายด้วยไฟฟ้า กิจกรรม 11.5 การทดลองแยกสลาย สารละลายโพแทสเซียมไอโอไดด์ด้วยไฟฟ้า (https://www.youtube.com/watch?v=kCfmWblBJjE) 5. นักเรียนรีบอุปกรณ์การทดลอง ทำการทดลอง พร้อมบันทึกผล ขั้นอธิบายและลงข้อสรุป (Explanation) 1. นักเรียนสรุปผลการทดลองที่ได้จากกิจกรรม ตัวอย่างผลการทดลอง ขั้วไฟฟ้า ผลการสังเกต ขั้วบวก (แอโนด) สารละลายมีสีเหลือง-น้ำตาลเกิดขึ้น ขั้วลบ (แคโทด) มีฟองแก๊สเกิดขึ้น สารละลายมีสีชมพู
สรุปผลการทดลอง การแยกสลายสารละลายโพแทสซียมไอโอไดด์ด้วยไฟฟ้าทำให้เกิดไอโอดีนที่แอโนดเกิดแก๊สไฮโดรเจน และไฮดรอกไซด์ไอออนที่แคโทด โดยมีปฏิกิริยารีดอกซ์ ดังสมการ 2H2O(l) + 2I - (aq) → H2 (g) + 2OH- (aq) + I 2 (s) มีค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เท่ากับ -1.36 โวลต์ 2. นักเรียนตอบคำถามท้ายการทดลอง โดยมีคำถามดังนี้ 1) KI มีสารใดที่สามารถเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันได้บ้าง 2) เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปใน KI ที่ขั้วบวกและขั้วลบมีสารใดเกิดขึ้น ทราบได้อย่างไร 3) สมการเคมีของปฏิกิริยาที่แคโทดและแอโนดเป็นอย่างไร สอดคล้องกับค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน รีดักชันหรือไม่ อย่างไร 4) เขียนสมการเคมีของปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นและต้องใช้แหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มีอีเอ็มเอฟมากกว่า เท่าใดเพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยา 3. นักเรียนศึกษาการแยกสลายด้วยไฟฟ้าของสารละลายไอออนิกอื่น ๆ ในน้ำเพิ่มเติมในหนังสือเรียน ขั้นขยายความรู้(Elaboration) 1. นักเรียนศึกษาการทำโลหะให้บริสุทธิ์โดยใช้เซลล์อิเล็กโทรลิติก การทำโลหะให้บริสุทธิ์โดยใช้เซลล์อิเล็กโทรลิติก หลักการของเซลล์อิเล็กโทรลิติกสามารถนำมาใช้ในการทำโลหะให้มีความบริสุทธิ์สูงขึ้น เช่น ทองแดง ที่ได้จากการถลุงสินแร่โดยทั่วไปมีความบริสุทธิ์ไม่เกินร้อยละ 99 โดยมากมีโลหะชนิดอื่นเจือปน เช่น สังกะสี เหล็ก เงิน ทอง ทำให้สมบัติบางประการของทองแดงด้อยลง เช่น นำไฟฟ้า นำความร้อน ทนต่อการกัดกร่อน ได้ไม่ดี อย่างไรก็ตามสามารถทำให้ทองแดงมีความบริสุทธิ์ถึงร้อยละ 99.95 ได้ดังนี้ ให้ชิ้นทองแดงที่ไม่บริสุทธิ์ต่อเข้ากับขั้วบวกและชิ้นทองแดงที่บริสุทธิ์ต่อเข้ากับขั้วลบของแบตเตอรี่ ชิ้น โลหะทั้งสองจุ่มอยู่ในสารละลาย CuSO4 เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าตรงที่มีศักย์ไฟฟ้าที่เหมาะสมเข้าไป Cu2+ ใน สารละลายจะรับอิเล็กตรอนจากขั้วลบเกิดเป็นทองแดงเกาะที่ขั้วทองแดงบริสุทธิ์เพิ่มมากขึ้น ขณะเดียวกันที่ ขั้วบวก Cu และโลหะเจือปนชนิดอื่น เช่น Fe Zn ซึ่งให้อิเล็กตรอนได้ง่ายกว่า Cu จะเปลี่ยนเป็น Fe2+ และ Zn2+ ลงสู่สารละลาย แต่ Fe2+ และ Zn2+ จะไม่เปลี่ยนกลับไปเป็น Fe และ Zn ที่ขั้วลบเนื่องจากรับ อิเล็กตรอนได้ไม่ดีเท่า Cu2+ ส่วน Ag Au และ Pt ซึ่งเป็นตัวรีดิวซ์ที่ไม่ดีเท่ากับ Cu จะค่อย ๆ หลุดออกจาก ขั้วบวกและตกอยู่ที่ก้นภาชนะในรูปของโลหะ ทำให้ที่ขั้วลบมีการสะสมของโลหะ Cu บริสุทธิ์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น เรื่อย ๆ 2. นักเรียนทำแบบฝึกหัด 11.7 ขั้นประเมิน (Evaluation) 1. นักเรียนทำกิจกรรม 11.5 การทดลองแยกสลายสารละลายโพแทสเซียมไอโอไดด์ด้วยไฟฟ้า
2. นักเรียนทำแบบฝึกหัด 11.7 8. สื่อ/แหล่งการเรียนรู้ 1. หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ เคมี 4 2. แบบบันทึกผลการทดลอง 3. อุปกรณ์การทดลอง 9. การวัดผลและประเมินผล จุดประสงค์ วิธีการวัด/เครื่องมือวัด เกณฑ์การประเมิน 1. ด้านความรู้ (K) 1. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการ แยกสลายสารเคมีด้วยไฟฟ้าได้ 2. นักเรียนสามารถอธิบายหลักการ ทำโลหะให้บริสุทธิ์ได้ - การตอบคำถาม ในชั้นเรียน - แบบบันทึกผล การทดลอง -แบบฝึกหัด 11.7 - ข้อคำถาม - แบบบันทึกผลการ ทดลอง - แบบฝึกหัด 11.7 - ได้คะแนนร้อยละ 70 ขึ้นไป 2. ด้านทักษะ/กระบวนการคิด (P) 1. นักเรียนสามารถทดลองการ แยกสลายสารเคมีด้วยไฟฟ้าได้ - แบบบันทึกผล การทดลอง - แบบบันทึกผลการ ทดลอง - ได้คะแนนร้อยละ 70 ขึ้นไป 3. ด้านคุณลักษณะอันพึงประสงค์ (A) 1. นักเรียนมีความรับผิดชอบต่องาน ที่ได้รับมอบหมาย 2. นักเรียนสามารถทำงานร่วมกับ ผู้อื่นได้ - การสังเกต - แ บ บ ป ร ะ เ มิ น คุณลักษณะอันพึง ประสงค์ - ได้คะแนนในระดับ 3 (ดี) ขึ้นไป
แผนการจัดการเรียนรู้ที่ 23 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ภาคเรียนที่ 1/2566 รายวิชาเพิ่มเติม เคมี 4 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 หน่วยการเรียนรู้ที่ 11 เคมีไฟฟ้า เวลา 30 ชั่วโมง เรื่อง เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเคมีไฟฟ้า เวลา 2 ชั่วโมง ครูผู้สอน นางสาวประภัสสร ยุบุญไชย 1. สาระการเรียนรู้และผลการเรียนรู้ สาระที่ 5 สาระเคมี เข้าใจการเขียนและการดุลสมการเคมี ปริมาณสัมพันธ์ในปฏิกิริยาเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี สมดุลในปฏิกิริยาเคมี สมบัติและปฏิกิริยาของกรด-เบส ปฏิกิริยารีดอกซ์และเซลล์เคมีไฟฟ้า รวมทั้งการนำ ความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ สืบค้นข้อมูลและนำเสนอตัวอย่างความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์เคมีไฟฟ้าใน ชีวิตประจำวัน 2. สาระสำคัญ/ความคิดรวบยอด ปฏิกิริยาเคมีหลายปฏิกิริยาที่พบในชีวิตประจำวันเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์เช่น ปฏิกิริยาการเผาไหม้ ปฏิกิริยาในเซลล์เคมีไฟฟ้า ซึ่งความรู้เรื่องเซลล์เคมีไฟฟ้าและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ เคมีไฟฟ้า นำไปสู่นวัตกรรมด้านพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม 3. จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. นักเรียนสามารถยกตัวอย่างความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์เคมีไฟฟ้าได้ (K) 2. นักเรียนสามารถสืบค้นข้อมูลเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์เคมีไฟฟ้าได้(P) 3. นักเรียนมีความรับผิดชอบต่องานที่ได้รับมอบหมาย (A) 4. สาระการเรียนรู้ สารที่เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ ขั้วไฟฟ้า อิเล็กโทรไลต์ 5. สมรรถนะสำคัญของผู้เรียน 1. ความสามารถในการสื่อสาร 2. ความสามารถในการคิด
6. คุณลักษณะอันพึงประสงค์ 1. ใฝ่เรียนรู้ 2. มีความรับผิดชอบ 7. การจัดกิจกรรมการเรียนรู้ ขั้นสร้างความสนใจ (Engagement) 1. นักเรียนทบทวนความรู้เกี่ยวกับเซลล์เคมีไฟฟ้า โดยครูใช้คำถามดังนี้ - ความหมายของเซลล์กัลวานิก - ความหมายของเซลล์อิเล็กโทรลิติก - ยกตัวอย่างประโยชน์ที่ได้จากเซลล์เคมีไฟฟ้า ขั้นสำรวจและค้นหา (Exploration) 1. นักเรียนศึกษาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์เคมีไฟฟ้า โดยครูยกตัวอย่างเป็น สารที่เกิดปฏิกิริยารี ดอกซ์ ขั้วไฟฟ้า และอิเล็กโทรไลต์ ดังนี้ สารที่เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์: การเปลี่ยนชนิดของสารที่เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ในเซลล์เคมีไฟฟ้าสามารถ ทำให้ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เปลี่ยนแปลงไปได้ดังที่ศึกษามาแล้ว นอกจากนี้สารบางชนิดที่เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์เมื่อ มีการดูดกลืนพลังงานแสงอาจนำมาใช้เป็นส่วนประกอบในเซลล์แสงอาทิตย์ (solar cell) ได้ เช่น ซิลิคอน (Si) ที่เจือด้วยธาตุหมู่ IIIAหรือ VA ซึ่งเป็นสารรับแสงในเซลล์แสงอาทิตย์ที่นิยมใช้ในปัจจุบัน นอกจากนี้ยังมีการใช้ สารอินทรีประเภทสีย้อมบางชนิดเป็นสารรับแสงเพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์และเรียกเซลล์แสงอาทิตย์ ประเภทนี้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (dye sensitized solar cell) ในปัจจุบันมีการพัฒนาเซลล์ แสงอาทิตย์ที่ใช้รับแสงประเภทต่าง ๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงาน ไฟฟ้า ยืดอายุการใช้งาน และมีราคาถูกลง ขั้วไฟฟ้า : การปรับเปลี่ยนขั้วไฟฟ้าสามารถทำให้สมบัติการนำไฟฟ้าหรือการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์บน ขั้วไฟฟ้าเปลี่ยนแปลง ซึ่งในปัจจุบันได้มีการศึกษาและพัฒนาขั้วไฟฟ้าให้มีสมบัติที่พึงประสงค์สำหรับการ ประยุกต์ใช้เซลล์เคมีไฟฟ้าประเภทต่าง ๆ มากยิ่งขึ้น เช่น การเพิ่มรูพรุนของขั้วไฟฟ้าเพื่อเพิ่มสมบัติการนำไฟฟ้าและพื้นที่ผิวในการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ การเปลี่ยนชนิดสารประกอบของลิเทียมในขั้วไฟฟ้าของลิเทียมไอออนแบตเตอรี่ เช่น LiCoO2 ให้ พลังงานต่อมวลสูงแต่ค่อนข้างอันตรายในขณะที่ LiFePO4 LiMn2O4 LiMnO3 ให้พลังงานต่อมวลต่ำกว่า แต่ มีอายุการใช้งานนานกว่าและปลอดภัยกว่า จึงนิยมใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าทางการแพทย์ บ้านเรือน และ ยานพาหนะ การใช้แกรฟีน (graphene) ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของผลึกคาร์บอนเป็นขั้วไฟฟ้า เนื่องจากแกรฟีนเป็น วัสดุที่นำไฟฟ้า นำความร้อน โปร่งแสง และมีความหนาเพียง 1 ชั้นอะตอม จึงได้รับความสนใจที่จะนำมา พัฒนาให้เป็นขั้วไฟฟ้าสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ แบตเตอรี่ อุปกรณ์ตรวจวัดและอุปกรณ์ไฟฟ้า อื่น ๆ ที่ต้องการ ประสิทธิภาพสูงหรือมีขนาดเล็ก
การเคลือบขั้วไฟฟ้าด้วยเอนไซม์หรือสารเคมีบางชนิด เพื่อทำให้ขั้วไฟฟ้าเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์จำเพาะ กับสารเพียงบางชนิดมากยิ่งขึ้น ในอุปกรณ์ตรวจวัดปริมาณสารที่สนใจ เช่น เครื่องตรวจวัดน้ำตาลในเลือด อิเล็กโทรไลต์: อิเล็กโทรไลต์ส่วนใหญ่ที่ได้ศึกษามามักเป็นสารละลายที่มีสถานะเป็นของเหลวทำให้ อุปกรณ์ไฟฟ้าบางประเภทมีอายุการใช้งานสั้น เนื่องจากการรั่วไหลของตัวทำละลาย ดังนั้นจึงมีการพัฒนาอิ เล็กโทรไลต์ที่มีสถานะเป็นของแข็ง (solid electrolyte) เช่น อิเล็กโทรไลต์ของแข็งในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ซึ่งนอกจากทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานนานขึ้นแล้ว ยังทำให้แบตเตอรี่มีน้ำหนักเบาลงสามารถประจุไฟได้ เร็วขึ้นและมีความปลอดภัยมากขึ้นเนื่องจากไม่มีตัวทำละลายอินทรีย์ที่ไวไฟ 2. นักเรียนศึกษากิจกรรม 11.6 สืบค้นข้อมูลเทคโนโลยีเกี่ยวข้องกับเซลล์เคมีไฟฟ้า 3. นักเรียนรับอุปกรณ์ กระดาษปรู๊ฟ ปากกาเคมี ที่ครูเตรียมให้ 4. นักเรียนทำกิจกรรมการสืบค้นข้อมูล ขั้นอธิบายและลงข้อสรุป (Explanation) 1. นักเรียนนำเสนอผลการสืบค้นข้อมูลหน้าชั้นเรียน ตัวอย่างการสืบค้นข้อมูล แบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง เป็นเซลล์สะสมไฟฟ้าที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีลักษณะเป็นของแข็ง เช่น พอลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่ นำไฟฟ้าได้และยอมให้ไอออนเคลื่อนที่ผ่านได้ดี ตัวอย่าง แบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง เช่นแบตเตอรี่ที่ใช้ โลหะลิเทียมเป็นแอโนดและไทเทเนียมไดซัลไฟล์เป็นแคโทด โดยมีพอลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์เป็น อิเล็กโทรไลต์ดัง รูป โลหะหรือเทียมให้อิเล็กตรอนแล้วกลายไปเป็น Li+ ผ่านอิเล็กโทรไลต์ของแข็งไปยังแคโทดซึ่งมี TiS2ทำหน้าที่ รับอิเล็กตรอนเกิดเป็น TiS2 - ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้ แอโนด : Li(s) → Li+ (ในอิเล็กโทรไลต์แข็ง) + e - แคโทด : TiS2 (s) + e - → TiS2 - (s) ปฏิกิริยารวม : Li(s) + TiS2 (s) → Li+ (ในอิเล็กโทรไลต์แข็ง) + TiS2 - (s)