เฉลยแบบฝึกทักษะ ไฟฟ้าเคมี

เซลลเ์ ช้ือเพลิง
เซลล์เช้ือเพลิง เป็นเซลล์กัลวานิกที่ปฏิกิริยารีดอกซ์คือปฏิกิริยาการเผาไหม้เช้ือเพลิง
โดยให้ เช้ือเพลิงเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่แอโนดและ O2 เกิดปฏิกิริยารีดักชันที่แคโทด เซลล์
เช้ือเพลิงชนิดแรก เป็นเซลล์เช้ือเพลิงแบบแอลคาไลน์ (alkaline fuel cells, AFC) ใช้แก๊ส
ไฮโดรเจนกับออกซิเจนเป็นสารตั้งต้น โดยมีอิเล็กโทรไลต์เป็นสารละลายเบสและได้ผลิตภัณฑ์
เป็นน้า จึงถือว่าเป็นเซลล์เช้ือเพลิงที่เป็นมิตรต่อส่ิงแวดล้อมเนื่องจากไม่มีการปล่อย CO2
ส่วนประกอบและปฏกิ ริ ิยาเคมี ที่เกดิ ขน้ึ ในเซลลเ์ ชอื้ เพลงิ แบบแอลคาไลน์เป็นดังนี้

48

รูป 11.10 ส่วนประกอบของเซลลเ์ ชอื้ เพลงิ แบบแอลคาไลน์

แอโนด : 2H2(g) + 4OH-(aq) → 4H2O(l) + 4e-
แคโทด : O2(g) + 2H2O(l) + 4e- → 4OH-(aq)
ปฏกิ ิรยิ ารวม : 2H2(g) + O2(g) + 2H2O(l) → 4H2O(l)

ต่อมามีการพัฒนาเป็นเซลล์เชื้อเพลิงแบบอ่ืน ๆ เช่น เซลล์เชื้อเพลิงแบบเย่ือแลกเปลี่ยน
โปรตอน (proton exchange membrane fuel cells, PEMFC) ส่วนประกอบและ
ปฏกิ ิริยาเคมีใน เซลลเ์ ชื้อเพลงิ แบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนเป็นดังนี้

49
รูปที่ 11.11 ส่วนประกอบของเซลล์เช้อื เพลิงแบบเย่ือแลกเปล่ยี นโปรตอน
แอโนด : 2H2(g) → 4H+(aq) + 4e-
แคโทด : O2(g) + 4H+(aq) + 4e- → 2H2O(g)
ปฏิกริ ยิ ารวม : 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)

เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้เช้ือเพลิงในการเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานกลได้
อย่างมี ประสิทธภิ าพมากกว่าการเผาไหม้ปกติ เน่ืองจากมีการสูญเสียพลังงานในรูปของความ
ร้อนน้อยกว่า โดยเซลล์เชือ้ เพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนทางานได้ที่อุณหภูมิและความดัน
ต่ากว่าเซลล์เชื้อเพลิง แบบแอลคาไลน์ มีการใช้เย่ือพอลิเมอร์ซึ่งเป็นของแข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์
จึงไม่เกิดการรั่วไหล ไม่เกิด การกัดกร่อน และน้าหนักเบา รวมทั้งยังออกแบบให้มีขนาดเล็ก
ได้ ในปัจจบุ ันจงึ ได้รับความสนใจที่จะพัฒนามาใช้เป็นแหล่งกาเนิดพลังงานสาหรับยานพาหนะ
และอุปกรณ์ไฟฟา้ ในบ้าน

ใบงานที่ 6.1 เร่ืองประโยชนข์ องเซลลเ์ คมีไฟฟา้

ผลการเรียนรู้ อธิบายหลักการทางานและเขยี นสมการแสดงปฏกิ ริ ิยาของ

เซลลป์ ฐมภูมแิ ละเซลลท์ ตุ ิยภูมิ

คาชี้แจง : ใหน้ ักเรียนตอบคาถามต่อไปน้ใี ห้ถูกตอ้ ง

1. จงอธบิ ายหลักการทางานและเขียนสมการแสดงปฏิกิรยิ าของเซลลเ์ คมีไฟฟา้ ต่อไปนี้ 50

1.1 แบตเตอรีซ่ ิงค-์ คาร์บอน หรือถ่านไฟฉาย

ตอบ แบตเตอรี่ซิงค์-คาร์บอน หรือถ่านไฟฉาย ถ่านไฟฉายเป็นเซลล์ปฐมภูมิ มีลักษณะเป็นเซลล์แห้งที่

ประกอบด้วยแมงกานีส(IV)ออกไซด์ (MnO2) เคลือบบนแท่งแกรไฟต์ (C) ทาหน้าที่เป็นแคโทด ของผสม
แอมโมเนียมคลอไรด์ (NH4CI) และซงิ ค์คลอไรด์ (ZnCl2) ในแป้งเปยี กทาหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ บรรจุใน
กล่องสังกะสี (Zn) ซ่ึง ทาหน้าท่เี ป็นแอโนด

ระหว่างการใช้งานมีปฏกิ ิริยาเคมีทเี่ กิดขึน้ ภายในเซลลด์ ังนี้
แอโนด : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-
แคโทด : 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) + 2e- → Mn2O3(s) + 2NH3(g) + H2O(l)
ปฏิกิรยิ ารวม : Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) → Zn2+(aq) + Mn2O3(s) + 2NH3(g) + H2O(l)
ถ่านไฟฉายให้อีเอ็มเอฟประมาณ 1.5 โวลต์ เมื่อใช้งานไปนาน ๆ ปฏกิ ริ ิยาเคมีทเี่ กิดข้ึนทาให้ โลหะสังกะสี

กัดกร่อน มีน้าและแอมโมเนียเปน็ ผลิตภณั ฑร์ วมอยู่ด้วยซ่ึงอาจทาให้เกิดแรงดนั หรือรั่วไหล ออกมาทาให้

เครื่องใช้ไฟฟา้ เกิดความเสียหายได้ ดังนั้นจึงควรตรวจลักษณะของถ่านไฟฉายอยู่เสมอ และไม่ควรทิง้ ไว้ใน

อุปกรณไ์ ฟฟ้าเปน็ เวลานาน

1.2 แบตเตอรี่ซลิ เวอร์ออกไซด์

ตอบ เปน็ แบตเตอรี่ที่มีสว่ นประกอบและหลักการปฏกิ ริ ิยาคล้ายกับแบตเตอรี่แอลคาไลน์ คือ แอโนดเป็น

สังกะสี ตี่แคโทดเป็น Ag2O แทน MnO2
ปฏิกิริยาทเี่ กดิ ขน้ึ เปน็ ดังนี้
แอโนด : Zn(s) + 2OH-(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e-
แคโทด : Ag2O(s) + H2O(l) + 2e- → 2Ag(s) + 2OH-(aq)
ปฏกิ ริ ิยารวม : Zn(s) + Ag2O(s) → ZnO(s) + 2Ag(s)
แบตเตอรี่ซิลเวอร์ออกไซด์เป็นเซลล์ปฐมภูมิขนาดเล็ก ให้อีเอ็มเอฟคงที่ประมาณ 1.5 โวลต์ ตลอดอายุ

การใช้งาน แบตเตอรี่ชนิดนี้มีราคาสูงแต่ใช้งานได้นาน นิยมใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดเล็ก เช่น นาฬิกา

ข้อมือ เคร่ืองคดิ เลข เครื่องช่วยฟงั

1.3 แบตเตอรี่ตะกั่ว

ตอบ แบตเตอรี่แบบตะกั่วพบได้ทั่วไป เช่น ใช้สารองไฟคอมพิวเตอร์ ใช้เก็บพลังงานแสงอาทิตย์

แบตเตอรี่ตะกั่วที่ใช้ในรถยนต์ส่วนบุคคลมักประกอบด้วยเซลล์กัลป์วานิก 6 เซลล์ต่อกันแบบอนุกรม

โดยแต่ละเซลล์มีแผ่นตะกั่วเปน็ แอโนด มีแผ่นตะกั่วที่เคลือบด้วย PbO2 เปน็ แคโทด และ H2SO4
เป็นอเิ ลก็ โทรไลต์

แบตเตอรี่ตะกั่วจ่ายไฟ (discharge) ได้โดยเกิดปฏิกริ ยิ าดงั นี้
แอโนด : Pb(s) + SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2e-
แคโทด : PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq) + 2e- → PbSO4(s) + 2H2O(l)
ปฏิกริ ยิ ารวม : Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2 SO42-(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O(l)
แต่ละเซลล์ในแบตเตอรี่ตะกั่วให้อีเอม็ เอฟประมาณ 2 โวลต์ เมื่อนาท้ัง 6 เซลล์ มาต่อกัน แบบอนุกรม

จะใหอ้ ีเอม็ เอฟรวมประมาณ 12 โวลต์ ปฏิกิรยิ ารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการจ่ายไฟ ให้ ผลิตภัณฑ์เป็น

PBSO, ซึ่งเป็นของแข็งเกาะอยู่บนขั้วไฟฟ้าทั้งสอง ทั้งนี้สามารถทาให้เกิดปฏิกิริยา ย้อนกลับได้ง่าย

โดยการให้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกหรือที่เรียกว่า การประจุ

ในรถยนตจ์ ะมีอปุ กรณท์ ี่สามารถประจใุ ห้กับแบตเตอรรี่ ะหว่างที่รถยนต์เคลื่อนที่ซงึ่ ทา

ให้เกิด ปฏิกิริยาย้อนกลับของปฏกิ ิรยิ าการจ่ายไฟ ดังนี้
แคโทด : PbSO4(s) + 2e- → Pb(s) + SO42-(aq)

51 แอโนด : PbSO4(s) + 2H2O(l) → PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e-
ปฏิกิรยิ ารวม : 2PbSO4(s) + 2H2O(l) → Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2SO42-(aq)
แบตเตอรี่ตะกั่วจัดเป็นเซลลท์ ุติยภมู ซิ ึ่งสามารถจ่ายไฟและประจไุ ฟได้หลายรอบ โดยมีอายุการใช้งาน

ระยะเวลาหนึ่ง แต่เน่ืองจากการหลุดล่อนของ PbSO4 จากแผ่นตะกั่ว ทาให้ขัว้ ไฟฟา้ สึกกร่อนไปเรื่อย ๆ
จนเสื่อมสภาพไม่สามารถประจไุ ด้อกี

การกัดกร่อนของโลหะและการป้องกัน

เครื่องมือเครื่องใช้ วัสดุอุปกรณ์ต่าง ๆ หรือส่ิงก่อสร้างที่ทาด้วยโลหะหรือมีโลหะเป็น
ส่วนประกอบ เม่ือใช้งานไประยะหน่ึงมักพบปัญหาการผุกร่อนหรือเกิดสนิม เช่น สนิมเหล็ก
สนิมทองแดง หลังคาสังกะสีผุกร่อน ซึ่งกระบวนการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยารีดอกซ์ โดย
โลหะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและแก๊สออกซิเจนเกิดปฏิกิริยารีดักชันได้เป็นออกไซด์ของโลหะที่
หลุดล่อนจากผิวโลหะได้ง่าย เช่น การเกดิ สนิมเหล็ก เกิดจากผิวของเหล็กสัมผัสและเกิดปฏิกิริยา
กับแก๊สออกซิเจนและน้า ซึ่งในกระบวนการนี้ จะเกิดจาก Fe ให้อิเล็กตรอนกับ O2 เกิดเป็น
Fe2+ ดังสมการเคมี ปฏิกริ ยิ าออกซิเดชัน : 2Fe(s) → 2Fe2+(aq) + 4e-

ปฏิกิรยิ ารีดักชนั : O2(g) + 2H2O(l) + 4e- → 4OH-(aq)
ปฏกิ ริ ิยารวม : 2Fe(s) + O2(g) + 2H2O(l) → 2Fe2+(aq) + 4OH-(aq)
Fe2+(aq) และ OH-(aq) เกิดปฏิกิริยาได้ Fe(OH)2 ที่ไม่ละลายน้า แต่สามารถทา
ปฏกิ ริ ยิ ากับ น้าและออกซิเจนในอากาศต่อไปได้ Fe(OH)3 และเปลี่ยนไปเป็น Fe2O3 ที่มีโมเลกุล
ของนา้ อยใู่ นโครงผลกึ ซึ่งมีสตู รทั่วไปเป็น Fe2O3nH2O และเรียกว่า สนิมเหล็ก ดังรูป

52

รูป 11.12 กระบวนการทางเคมีของการเกิดสนมิ เหล็ก

นอกจากนี้ในธรรมชาติยังพบว่าแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในอากาศยังเป็น
ปัจจัยเสริม ที่ทาให้เกิดสนิมเหล็ก เนื่องจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ละลายน้าแล้วเกิดเป็นกรด
คาร์บอนิก (H2CO3) ซ่ึงแตกตวั ให้ H+ ทาให้ O2 เกิดปฏกิ ิรยิ ารีดักชันในสภาวะกรด ดังสมการ

ปฏิกริ ยิ าออกซิเดชัน : 2Fe(s) → 2Fe2+(aq) + 4e-
ปฏกิ ริ ยิ ารีดักชัน : O2(g) + 4H+(aq) + 4e- → 2H2O(l)
ปฏกิ ริ ยิ ารวม : 2Fe(s) + O2(g) + 4H+(aq) → 2Fe2+(aq) + 2H2O(l)

นอกจากนี้ปฏิกิริยารีดอกซ์ยังเกิดได้ง่ายขึ้นในภาวะที่มีอิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นเหล็กที่อยู่
บริเวณ ชายทะเลจึงเกิดสนิมเหล็กได้เร็ว นอกจากเหล็กแล้วยังมีโลหะบางชนิดที่สามารถเกิด
การผุกร่อนหรือ เกิดสนิมได้ เม่ือสัมผัสกับแก๊สออกซิเจนและความชื้น วิธีการป้องกันการกัด
กร่อนของโลหะสามารถทาได้ดังนี้

1. เคลอื บผิวของโลหะด้วยสารที่ป้องกันการสัมผัสกับแก๊สออกซิเจนและน้า เช่น น้ามัน
สี พลาสตกิ

2. ทาให้โลหะมภี าวะเป็นแคโทดหรอื คล้ายแคโทด โดยพันโลหะที่ไม่ต้องการให้เกิดสนิม

ด้วยโลหะที่มีศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์รีดักชัน (E0) ต่ากว่า หรือต่อเข้ากับขั้วลบ

ของแหล่งกาเนิดไฟฟ้ากระแสตรงให้ทาหน้าที่เป็นแอโนดซ่ึงให้อิเล็กตรอนแทนโลหะ ที่
ไมต่ ้องการให้เกิดสนิม

3. ชุบโลหะหรือผสมด้วยโลหะชนิดอื่นที่เม่ือเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันแล้วทาให้เกิดเป็น
สารประกอบออกไซด์ที่ยึดติดผิวโลหะได้แน่นไม่หลุดร่อน เช่น การชุบเหล็กด้วยโครเมียม
ดีบุก หรอื นิกเกิล หรอื การทาเหลก็ กลา้ ไร้สนมิ ด้วยการผสมเหล็กกับธาตุชนดิ อื่น

การป้องกันการเกิดสนิมอาจเกี่ยวข้องกับหลักการข้างต้นมากกว่าหนึ่งหลักการ เช่น
การชุบ แผ่นเหล็กด้วยสังกะสี อาศัยหลักการที่สังกะสีให้อิเล็กตรอนแทนเหล็กได้ รวมทั้งยัง

53 ทาปฏิกิริยากับ ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์เกิดเป็นช้ันของสารประกอบเคลือบและยึด

ตดิ พน้ื ผวิ ของเหล็กอีกด้วย

การชบุ โลหะ

การเคลือบผิวของวัสดุด้วยโลหะหรือการชุบโลหะ (electroplating) เพ่ือป้องกัน
การเกิดสนิม หรือตบแต่งพื้นวัสดุให้สวยงาม ทาได้โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าไปยังวัสดุที่
ต้องการชุบที่จ่มอยใู่ น สารละลายอิเล็กโทรไลต์

การแยกสลายด้วยไฟฟา้

กระบวนการที่เกิดขึ้นในเซลล์อิเล็กโทรลิติกที่ทาให้ได้สารใหม่ เรียกว่า การแยกสลาย
ด้วยไฟฟ้า หรือ อิเล็กโทรลิซิส (electrolysis) ซ่ึงนามาใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมเพื่อ
ผลิตสารเคมีทตี่ ้องการ ซ่ึงไมส่ ามารถผลิตได้โดยง่ายด้วยวธิ ีอื่น ดังตัวอย่างต่อไปนี้

การแยกสลายโซเดียมคลอไรด์หลอมเหลวด้วยไฟฟ้า 54

โลหะโซเดียมและแก๊สคลอรีนสามารถเตรียมข้ึนโดยการผ่านกระแสไฟฟ้าให้แก่โซเดียม

คลอไรด์หลอมเหลว ซึ่งจะเกดิ ปฏิกริ ิยารีดักชันและออกซเิ ดชันทขี่ ั้วไฟฟ้า ดังสมการเคมตี ่อไปนี้

แคโทด โซเดียมไอออนเกดิ ปฏกิ ิริยารีดักชันดังสมการ
2Na+(l) + 2e- → 2Na(s)

แอโนด คลอไรด์ไอออนเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชันดังสมการ
2CI-(l) → Cl2(g) + 2e-

ปฏิกริ ิยารวม
2Na+(l) + 2CI-(l) → 2Na(s) + CI-(g)

E0cell = E0cathode – E0anode

(-2.71) V - 1.36 V

= -4.07 V

โลหะโซเดียมและแก๊สคลอรีนเป็นสารที่ว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมีมาก จึงไม่สามารถเตรียม

ได้ จากกระบวนการถลงุ แร่ที่ใชท้ ั่วไปกับธาตุบางชนดิ

การแยกสลายด้วยไฟฟ้าของสารละลายไอออนิกชนิดอื่น ๆ ในน้า สามารถพิจารณาได้

ใน ทานองเดียวกันกับการแยกสลายสารละลายโพแทสเซียมไอโอไดด์ด้วยไฟฟ้า ดังตัวอย่าง

การแยกสลาย สารละลายคอปเปอร์(II)ซัลเฟตด้วยไฟฟ้า ดังต่อไปนี้
CuSO4 ในน้าประกอบด้วย Cu2+ SO42- และ H2O เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปใน

สารละลาย สามารถพิจารณาการเกิดปฏิกิริยารีดักชันและออกซิเดชันโดยอาศัยค่า E0 จาก

ตาราง 11.3 ดังนี้

ปฏิกิริยารีดักชันที่เป็นไปได้ของ Cu2+ SO42- และ H2O เป็นดังนี้ E0 = +0.34 V
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- → SO2(g) + 2H2O(l) E0 = +0.20 V
2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq)
E0 = -0.83 V

จากค่า E0 แสดงว่า Cu2+ ในสารละลายรับอิเล็กตรอนได้ดีที่สุด ดังนั้นที่แคโทดจึง

เกิดปฏิกริ ิยารีดักชันของ Cu2+

ปฏิกิริยาออกซิเดชันที่เป็นไปได้ของ Cu2+ SO42- และ H2O ให้พิจารณาจากปฏิกิริยา

คร่ึงเซลล์รีดักชันที่มี Cu2+ SO42- และ H2O เป็นผลิตภัณฑ์ตามลาดับ จากตาราง 11.3 ไม่มี

ปฏกิ ริ ิยารีดักชันที่ให้ Cu2+ เปน็ ผลติ ภัณฑ์ ดังนั้นจึงเหลอื ปฏิกริ ยิ าที่ต้องพจิ ารณา ดังนี้

2211SO2O2(8g2)-(+aq2)H++(aeq-) → SO42-(aq) E0 = +2.01 V
+ 2e- → H2O(l) E0 = +1.23 V

จากค่า E0 แสดงว่า H2O ให้อิเล็กตรอนได้ง่ายกว่า SO42- ดังนั้นที่แอโนดจึง

เกดิ ปฏกิ ิริยาออกซิเดชนั ของ H2O

ปฏกิ ิรยิ าการแยกสลายสารละลายคอปเปอร์(II)ซัลเฟตด้วยไฟฟา้ จงึ เป็นดังนี้

แคโทด : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

55 แอโนด : H2O(l) → O2(g) + 2H+(aq) + 2e-

ปฏกิ ิรยิ ารวม : Cu2+(aq) + H2O(l) → Cu(s) + O2(g) + 2H+(aq)
ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์อิเล็กโทรลิติก คานวณจากค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของคร่ึงเซลล์

รีดักชัน ได้ดังนี้ E0cell = E0cathode – E0anode

= 0.34 V - 123 V

= -0.89 V

ดังนั้นการแยกสลายสารละลายคอปเปอร์(II)ซัลเฟตด้วยไฟฟ้า ต้องใช้แหล่งกาเนิด

ไฟฟ้าที่มี อเี อม็ เอฟมากกวา่ 0.89 โวลต์ จงึ จะมปี ฏกิ ิริยาเกิดขนึ้

จากตัวอย่างข้างต้นจะเห็นวา่ การแยกสลายสารละลายด้วยไฟฟ้าส่วนใหญ่เกิดปฏิกิริยา
ที่ตา่ ง จากการแยกสลายด้วยไฟฟา้ ของสารชนิดเดียวกันเมื่อหลอมเหลว เนื่องจากสารละลายมี
น้าที่อาจเกิด ปฏิกิริยารีดอกซ์แข่งขันกับไอออนที่มาจากการแตกตัวของสารนั้น ดังนั้นการ
พิจารณาว่า จะเกิดปฏิกิริยาใด ที่แอโนดและแคโทด ทาได้โดยเปรียบเทียบค่าศักย์ไฟฟ้า
มาตรฐานของครึ่งเซลล์รีดักชันของสารทุกชนดิ ในสารละลาย

ใบงานที่ 6.2 เร่ืองประโยชนข์ องเซลลเ์ คมีไฟฟา้

ผลการเรียนรู้ ทดลองชุบโลหะและแยกสารเคมีด้วยกระแสไฟฟ้า และอธิบาย

หลกั การทางเคมีไฟฟา้ ที่ใช้ในการชุบโลหะ การแยกสารเคมีด้วยกระแสไฟฟ้า การ
ทาโลหะให้บริสุทธ์ิ และการป้องกันการกร่อนของโลหะ

คาชี้แจง : ใหน้ ักเรียนตอบคาถามต่อไปน้ใี ห้ถูกตอ้ ง

2. การผุกร่อนของโลหะเกิดข้ึนได้อยา่ งไร

ตอบ การผุกร่อนของโลหะเกิดจากการที่อะตอมของโลหะจ่ายอิเล็กตรอน (ถูกออกซิไดส์)
กลายเป็นไอออน แลว้ รวมตวั กับออกซิเจนในอากาศ ไดผ้ ลิตภณั ฑ์เป็นสารประกอบออกไซด์

3. จงบอกพร้อมอธบิ ายวธิ ีการป้องกันการผุกร่อนของโลหะมา 3 วิธี 56

ตอบ
1. การป้องกันไม่ให้ผิวของโลหะถูกน้าและอากาศ เช่น ทานา้ มัน ทาสี เคลอื บพลาสตกิ เป็นตน้
2. การทาผิวของโลหะด้วยสารยับยัง้ การผกุ ร่อน เช่น เกลือโครเมต เกลือบิวทิลลามีน เป็นต้น
3.วิธีแคโทดกิ โดยใช้โลหะที่มี E0 ต่ากว่า ซึ่งจะทาหน้าท่เี ปน็ ขั้วแอโนด ไปพันไวก้ ับโลหะที่ไม่ต้องการ
ใหเ้ กิดสนมิ ซึ่งจะทาหน้าท่เี ปน็ ขั้วแคโทด

4. พจิ ารณาภาพการทดลองที่กาหนดให้ แล้วตอบคาถาม

4.1 จากภาพเป็นการทดลองอะไร Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-
ตอบ การชุบตะปูเหลก็ ด้วยสังกะสี Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s)
4.2 ปฏิกริ ิยาที่เกิดขึน้ เป็นอย่างไร Zn(s) → Zn(s)
ตอบ ปฏิกิริยาที่แอโนด (ขั้วบวก) :
แอโนด แคโทด
ปฏกิ ริ ิยาที่แคโทด (ขั้วลบ) :
ปฏกิ ริ ิยารวม :

5. จงตอบคาถามต่อไปนี้
5.1 เขยี นสมการแสดงปฏกิ ริ ิยารีดอกซข์ องการแยกนา้ ด้วยไฟฟา้

ตอบ 2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)

5.2 ท่ขี ัว้ บวก นา้ เกิดปฏิกิรยิ าออกซเิ ดชันได้แก๊สออกซเิ จน จงเขียนสมการของ
ปฏกิ ริ ยิ าน้ี พร้อมดลุ สมการ

ตอบ 2H2O (l) O2(g) → 4H+(aq) + 4e-

57

5.3 ท่ขี ัว้ ลบ ไฮโดรเจนไอออน (H+) เกดิ ปฏิกิริยารีดักชันได้แก๊สไฮโดรเจน จงเขียน
สมการของปฏิกิรยิ าน้ี พร้อมดลุ สมการ

ตอบ 2H+(aq) + 4e- → H2(g)

5.4 ท่แี คโทดและแอโนดเกิดแก๊สชนิดใดตามลาดับ

ตอบ แอโนด เกิด O2(g)
แคโทด เกดิ H2(g)

เทคโนโลยีทเี่ ก่ยี วข้องกบั เคมีไฟฟา้

ความรู้เร่ืองเซลล์เคมีไฟฟ้าและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์
เคมไี ฟฟ้า นาไปสนู่ วัตกรรมด้านพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากข้ึน เช่น การพัฒนาสาร
ทีเ่ กิดปฏกิ ริ ิยารีดอกซ์ ขั้วไฟฟ้า อเิ ล็กโทรไลต์ ดังตัวอย่างต่อไปนี้

สารทเี่ กิดปฏิกิริยารีดอกซ์

การเปลี่ยนชนิดของสารที่เกดิ ปฏกิ ริ ิยารีดอกซ์ในเซลลเ์ คมีไฟฟ้าสามารถทาให้ศักย์ไฟฟ้า 58
ของเซลล์เปลี่ยนแปลงไปได้ดังที่ได้ศึกษามาแล้ว นอกจากนี้สารบางชนิดที่เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์
เม่ือมกี ารดูดกลนื พลังงานแสงอาจนามาใช้เป็นส่วนประกอบในเซลล์แสงอาทิตย์ (solar cell)
ได้ เชน่ ซลิ ิคอน (Si) ที่เจือด้วยธาตุหมู่ IIIA หรือ VA ซึ่งเป็นสารรับแสงในเซลล์แสงอาทิตย์ที่
นยิ มใช้ในปัจจบุ ัน นอกจากน้ยี ังมีการใช้สารอินทรีย์ประเภทสีย้อมบางชนิดเป็นสารรับแสงเพื่อ
ทาให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ และเรียกเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทนี้ว่า เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อม
ไวแสง (dye sensitized solar cell) ในปัจจบุ ันมกี ารพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้สารรับ
แสงประเภทต่าง ๆ เพ่ือเพ่ิมประสิทธิภาพในการ เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงาน
ไฟฟ้า ยืดอายุการใชง้ าน และมรี าคาถกู ลง

อิเลก็ โทรไลต์

อิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์ส่วนใหญ่ที่ได้ศึกษามามักเป็นสารละลายที่มีสถานะเป็น
ของเหลวทาให้อุปกรณ์ ไฟฟ้าบางประเภทมีอายุการใช้งานสั้น เนื่องจากการรั่วไหลของตัวทา
ละลาย ดังนั้นจงึ มกี ารพัฒนาอเิ ลก็ โทรไลต์ที่มีสถานะเป็นของแข็ง (solid electrolyte) เช่น
อเิ ล็กโทรไลต์ของแข็งในแบตเตอรี่ ลิเทียมไอออน ซ่ึงนอกจากทาให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งาน
นานขนึ้ แล้ว ยังทาให้แบตเตอรี่มนี ้าหนักเบาลง สามารถประจุไฟได้เร็วข้ึน และมีความปลอดภัย
มากข้นึ เน่ืองจากไม่มีตวั ทาละลายอนิ ทรีย์ที่ไวไฟ

ขั้วไฟฟา้

การปรับเปลี่ยนขั้วไฟฟ้าสามารถทาให้สมบัติการนาไฟฟ้าหรือการเกิดปฏิกิริยารี ดอกซ์
บนขั้วไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป ซ่ึงในปัจจุบันได้มีการศึกษาและพัฒนาขั้วไฟฟ้าให้มีสมบัติที่พึง
ประสงคส์ าหรับการประยุกตใ์ ช้เซลลเ์ คมีไฟฟ้าประเภทต่าง ๆ มากย่ิงขน้ึ เช่น

• การเพ่ิมรูพรุนของขั้วไฟฟ้าเพ่ือเพิ่มสมบัติการนาไฟฟ้าและพื้นที่ผิว ใน
การเกิดปฏกิ ริ ิยารีดอกซ์

• การเปลี่ยนชนิดสารประกอบของลิเทียมในขั้วไฟฟ้าของลิเทียมไอออนแบตเตอรี่ เช่น
LiCoO2 ให้พลังงานต่อมวลสูงแต่ค่อนข้างอันตรายในขณะที่ LiFePO4 LiMn2O4 LiMnO3
ให้พลังงานต่อมวลต่ากว่า แต่มีอายุการใช้งานนานกว่าและปลอดภัยกว่า จึงนิยมใช้ในอุปกรณ์
ไฟฟา้ ทางการแพทย์ บ้านเรือน และยานพาหนะ

• การใช้แกรฟีน (graphene) ซึ่งเป็นรูปแบบหน่ึงของผลึกคาร์บอนเป็นขั้วไฟฟ้า
เนื่องจาก แกรฟีนเป็นวัสดุที่นาไฟฟ้า นาความร้อน โปร่งแสง และมีความหนาเพียง 1 ช้ัน
อะตอม จงึ ได้รับความสนใจที่จะนามาพัฒนาให้เป็นขัว้ ไฟฟา้ สาหรับเซลล์แสงอาทิตย์ แบตเตอรี่
อปุ กรณ์ตรวจวดั และอปุ กรณ์ไฟฟา้ อ่ืน ๆ ที่ต้องการประสทิ ธภิ าพสงู หรอื มีขนาดเล็ก

59 • การเคลือบขัว้ ไฟฟ้าด้วยเอนไซมห์ รือสารเคมีบางชนิด เพ่ือทาให้ขั้วไฟฟ้าเกิดปฏิกิริยา

รีดอกซ์จาเพาะกับสารเพียงบางชนิดมากยิ่งข้ึน ในอุปกรณ์ตรวจวัดปริมาณสารที่สนใจ เช่น
เคร่ืองตรวจวัดน้าตาลในเลอื ด

ใบงานที่ 7 เรื่องเทคโนโลยที เี่ กยี่ วขอ้ งกบั เคมีไฟฟา้

ผลการเรียนรู้ สืบค้นข้อมูลและนาเสนอตัวอย่างความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี

ที่เกี่ยวขอ้ งกบั เซลล์เคมีไฟฟา้ ในชีวิตประจาวนั

คาชีแ้ จง : ให้นักเรียนตอบคาถามต่อไปน้ใี ห้ถูกตอ้ ง

1. ใหน้ กั เรียนสบื ค้นข้อมูลเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์เคมีไฟฟ้ามา อยา่ งนอ้ ย 1
ตัวอย่าง

ตอบ แบตเตอรอี่ ิเลก็ โทรไลตข์ องแขง็
แบตเตอรี่อเิ ลก็ โทรไลต์ของแขง็ เป็นเซลลส์ ะสมไฟฟา้ ที่ใช้อิเล็กโทรไลตท์ ี่มีลกั ษณะเป็นของแขง็ เช่น
พอลิเมอรอ์ ิเล็กโทรไลต์ ซ่ึงเป็นพอลเิ มอร์ทนี่ าไฟฟา้ ได้และยอมให้ไอออนเคล่ือนที่ผ่านไดด้ ี ตัวอย่าง
แบตเตอรี่อเิ ล็กโทรไลต์ของแขง็ เช่น แบตเตอรี่ที่ใช้โลหะลิเทียมเปน็ แอโนดและไทเทเนียมไดซัลไฟดเ์ ป็น
แคโทด โดยมีพอลเิ มอร์อิเลก็ โทรไลตเ์ ป็นอิเล็กโทรไลต์ ดังรูป

60

โลหะลิเทียมให้อเิ ล็กตรอนแล้วกลายไปเปน็ Li+ ผ่านอิเล็กโทรไลตแ์ ขง็ ไปยงั แคโทดซ่ึงมี TiS2 ทาหน้าทีร่ ับ
อิเลก็ ตรอนเกิดเป็น TiS2- ปฏิกริ ยิ าที่เกดิ ข้ึนเปน็ ดังนี้
แอโนด : Li(s) → Li+(ในอิเลก็ โทรไลตแ์ ขง็ ) + e-
แคโทด : TiS2(s) + e- → TiS2-(s)
ปฏกิ ิริยารวม : Li(s) + TiS2(s) → Li+(ในอิเล็กโทรไลตแ์ ขง็ ) + TiS2-(s)
เซลล์ชนิดนีใ้ ห้อีเอม็ เอฟประมาณ 3 โวลต์ และเปน็ เซลลท์ ตุ ยิ ภูมิ จงึ สามารถประจุได้ เช่นเดียวกับแบตเตอรี่
ตะกั่ว ปัจจุบันมีการนาแบตเตอรี่ชนิดนี้ไปใช้กับรถยนตซ์ ึ่งมีข้อดีคือไมต่ ้องเติมนา้ กลั่น แต่ราคายังแพงเมื่อ
เปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ตะกั่ว

แบบทดสธบหลนั เรฝฬน

1. ข้อใดท่อี อกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเป็น 0

ก. O2 ข. H2O2
ค. H2O ง. CO2
2. สารประกอบต่อไปน้ี KMnO4 , MnO2 ธาตุ Mn มีเลขออกซิเดชันเท่าใด
ตามลาดับ

ก. +7 , +2 ข. +6 , +4

ค. +7 , +4 ง. +6 , +2

3. จากสมการต่อไปนี้

1) SO2 + NO2 → SO3 + NO
2เ ) HCO3-(aq) + OH-(aq) → H2O(l) + CO32-(aq)
3) MgO + 2HCl → MgCl2 + H2O

61 4) N2 + 3H2 → 2NH3

ข้อใดเปน็ ปฏิกริ ิยารีดอกซ์

ก. 1) และ 2) ข. 1) และ 4)

ค. 2) และ 3) ง. 3) และ 4)

4. ปฏิกิริยา Cu(s) + 2H2SO4(aq) → CuSO4(aq) + 2H2O(l) + SO2(g)
ข้อใดถูกต้อง

ก. SO2 เปน็ ตัวรีดวิ ซ์ ข. Cu ถกู รีดวิ ซ์
ค. H2SO4 ถูกออกซไิ ดส์ ง. H2SO4 เปน็ ตัวออกซไิ ดส์

แบบทดสธบหลนั เรฬฝ น

5. ข้อใดคอื วิธีการป้องกันการกัดกร่อนของโลหะ

ก. เคลือบผวิ ของโลหะด้วยสารที่ป้องกันการสัมผัสกับแก๊สออกซิเจนและนา้ เช่น

นา้ มัน สี พลาสตกิ

ข. ทาใหโ้ ลหะมีภาวะเปน็ แคโทดหรือคล้ายแคโทด โดยพันโลหะท่ไี ม่ต้องการให้

เกดิ สนิมด้วยโลหะท่มี ีศักยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานของครงึ่ เซลล์รีดักชัน (E0) ต่ากว่า

ค. ชุบโลหะหรือผสมด้วยโลหะชนิดอน่ื ที่เมื่อเกดิ ปฏกิ ิรยิ าออกซิเดชันแล้วทาให้เกิด

เป็น สารประกอบออกไซดท์ ยี่ ึดตดิ ผวิ โลหะได้แน่นไม่หลดุ ร่อน

ง. ถูกทง้ั ข้อ ก ข และ ค

6. ข้อใดไม่ใช่ประโยชน์ของการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ของแข็งในแบตเตอรี่ลิเทียม

ไอออน

ก. มีนา้ หนกั เบาลง ข. ประจุไฟได้เร็วขน้ึ

ค. มีตัวทาละลายอินทรีย์ ง. มีอายกุ ารใช้งานนานขึ้น 62

7. ข้อใดต่อไปนี้คือองค์ประกอบของเซลลเ์ คมีไฟฟา้

ก. ขัว้ ไฟฟา้ ข. สะพานเกลอื

ค. สารละลายอเิ ลก็ โทรไลต์ ง. ถูกทกุ ข้อ
8. ปฏิกิริยา Cu(s) + 2Ag+(aq) → Cu2+(aq) + 2Ag(s) ข้อใดเขยี น

ปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชันได้ถูกต้อง

ก. Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
ข. Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e-
ค. Ag+(aq) + e- → Ag(s)
ง. Ag(s) → Ag+(aq) + e-

แบบทดสธบหลนั เรฝฬน

9. จงพิจารณาปฏกิ ริ ิยาต่อไปน้ี

Sn(s) | Sn2+(aq) | | Cu2+(aq) | Cu(s)

แผนภาพครึ่งเซลล์ที่เกดิ ปฏกิ ริ ยิ ารีดักชันชันคือข้อใด

ก. Sn2+(aq) | Sn(s) ข. Sn(s) | Sn2+(aq)

ค. Cu2+(aq) | Cu(s) ง. Cu(s) | Cu2+(aq)

10. กาหนดให้ค่า E0 ของปฏกิ ิรยิ าดังนี้

Fe3+(aq) + e- → Fe2+(aq) E0 = +0.77 V

Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) E0 = +0.34 V

แผนภาพของเซลล์คือ Cu(s) | Cu2+(aq) | | Fe2+(aq),Fe3+(aq)Pt(s) เซลล์น้ีมี

คา่ ศักยไ์ ฟฟา้ มาตรฐานเท่าใด

ก. -0.43 V ข. +0.43 V

63 ค. -1.11 V ง. +1.11 V

11. สารผลิตภัณฑซ์ ่ึงเปน็ ของแข็งสีขาวเกาะอยู่บนขัว้ ท่ไี ด้จากแบตเตอรตี่ ะกวั่ คือข้อใด

ก. Pb ข. PbO2
ค. PbSO4 ง. Pb2+

12. ข้อใดกล่าวผดิ เกี่ยวกับการชบุ โลหะเพ่ือปอ้ งกันการเกดิ สนิม

ก. โลหะท่ใี ช้ชบุ ควรต่อกับขัว้ บวกซ่ึงเป็นแอโนด

ข. โลหะท่ตี ้องการชบุ ควรต่อกบั ขั้วลบซ่ึงเปน็ แคโทด

ค. ไม่จาเปน็ ต้องใช้สารละลายท่มี ีไอออนของโลหะท่ใี ช้ชบุ เปน็ อิเล็กโทรไลต์

ง. ผ่านกระแสไฟฟา้ ไปยังวสั ดุที่ต้องการชุบที่จุ่มอย่ใู นสารละลายอิเล็กโทรไลต์

แบบทดสธบหลนั เรฬฝ น

13. จงพิจารณาปฏกิ ริ ยิ าต่อไปน้ี

Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

สารใดเป็นตวั ออกซิไดส์

ก. Zn(s) ข. Zn2+(aq)

ค. Cu(s) ง. Cu2+(aq)

14. จงพจิ ารณาปฏิกิรยิ าต่อไปน้ี

Mg(s) + Cu2+(aq) → Mg2+(aq) + Cu(s)

สารใดเป็นตวั รีดวิ ซ์

ก. Mg(s) ข. Mg2+(aq)

ค. Cu(s) ง. Cu2+(aq)

15. จงพจิ ารณาปฏกิ ริ ิยาต่อไปนี้ 64
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

ปฏิกิริยาท่ขี ัว้ แคโทดคือข้อใดต่อไปน้ี
ก. Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-
ข. Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s)
ค. Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e-
ง. Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

กระดาษใาตธบแบบทดสธบกธ่ นเรฝฬน เรฟ่ธน โฮฮ้ าเใมฝ

ข้ธ ก ข ใ น

1
2
3
4
5
6
7
8

65 9

10
11
12
13
14
15