เซลล์อิเล็กโตรไลต์  คือ  เซลล์ไฟฟ้าเคมีชนิดหนึ่งที่ใช้พลังงานไฟฟ้าทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี  กล่าวคือ  เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในเซลล์  จะทำให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ขึ้นในเซลล์นั้น  เซลล์ประเภทนี้จะมีค่า <0(เครื่องหมายติดลบ) และภายในเซลล์จะมีสารอิเล็กโทรไลต์  ซึ่งสารนี้สามารถจะแตกตัวเป็นไอออนบวก และไอออนลบ  และทำให้เกิดนำไฟฟ้าได้ 

ภาพประกอบบทเรียน เซลล์ไฟฟ้าเคมีและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง
ที่มา ดัดแปลงจาก https://pixabay.com , Clker-Free-Vector-Images

        ส่วนประกอบของเซลล์อิเล็กโทรไลต์

1. ขั้วไฟฟ้า (Electrode)  เป็นโลหะหรือแกร์ไฟต์ที่นำไฟฟ้าได้  โดยทั่วไปมักจะใช้ขั้วเฉื่อยในเซลล์หนึ่ง ๆ จำแนกขั้วตามเกณฑ์ต่าง ๆ ดังนี้

                การจำขั้วตามสมการการเกิดปฏิกิริยาเคมี

                    ก.  ขั้วแอโนด (Anode)  เป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน

                    ข.  ขั้วแคโทด (Cathode)  เป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน

                การจำแนกขั้วตามการต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า

                    ก.  ขั้วบวก  เป็นขั้วที่ต่อเข้ากับขั้วบวกของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า [ ซึ่งขั้วนี้จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน  คือไอออนลบในสารละลายจะให้ อิเล็กตรอนแก่ขั้วไฟฟ้าบวก)  ]

                    ข.   ขั้วลบ  เป็นขั้วที่ต่อเข้ากับขั้วลบของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า [ ซึ่งขั้วนี้จะเกิดปฏิกิริยารีดักชันเกิดขึ้น  คือ  ไอออนบวกในสารละลายจะมารับอิเล็กตรอนที่ขั้วนี้  ]

2. สารอิเล็กโตรไลต์  คือ  สารที่มีสถานะเป็นของเหลวประกอบด้วยไอออนที่เคลื่อนที่ และนำไฟฟ้าได้  เช่น

กระบวนการอิเล็กโทรลิซิส (Electrolysis)

        คือ กระบวนการแยกสารอิเล็กโตรไลต์โดยการผ่านไฟฟ้ากระแสตรงลงไปในสารละลาย อิเล็กโตรไลต์   แล้วทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นที่ขั้วบวก  และขั้วลบของเซลล์อิเล็กโทรไลต์นั้น

ลักษณะสำคัญของอิเล็กโทรลิซิส

1. กระแสไฟฟ้าที่ใช้ผ่านลงไปในเซลล์ ต้องเป็นไฟฟ้ากระแสตรง  (D.C.)  คือ กระแสอิเล็กตรอน
2. ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์
3. ขั้วไฟฟ้าที่ใช้ในเซลล์นี้นิยมใช้ขั้วเฉื่อย  เพราะถ้าใช้ขั้วว่องไว ขั้วอาจจะมีส่วนร่วมในการเกิดปฏิกิริยาเคมีก็ได้

ประโยชน์ของกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส

        ก.  การแยกสารประกออบไอออนิกหลอมเหลวด้วยไฟฟ้า  เช่น เกลือ  NaCl  เมื่อถูกทำให้หลอมเหลว จะเกิดเป็นไอออนบวก และไอออนลบ  ซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าลงไป  จะทำให้  ไอออนบวกเคลื่อนที่เข้าหาขั้วลบ  เพื่อเข้าไปรับอิเล็กตรอนหรือเกิดปฏิกิริยารีดักชัน  ส่วนไอออนลบ จะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วบวก  เพื่อจ่ายอิเล็กตรอน หรือเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน

        ข.  การแยกสารละลายอิเล็กโตรไลต์ด้วยไฟฟ้า

        สารละลายอิเล็กโตรไลต์จะประกอบด้วยตัวถูกละลายชนิดต่าง ๆ  ที่เป็นสารอิเล็กโทรไลต์  และ น้ำ  ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวทำละลาย    เช่น  สารละลายของ  NaCl (aq)  จะมี  ไอออนบวกคือ  Na⁺ (aq)  และไอออนลบ คือ  Cl^- (aq)   ซึ่งไอออนทั้งสองถูกน้ำล้อมรอบอยู่  (aq  =  aqueous  มีน้ำล้อมรอบ)  ดังนั้น ในสารละลายนี้จึงมีองค์ประกอบ  3  ชนิด  ได้แก่  น้ำ  (ตัวทำละลาย)  ,  Na⁺ (aq)  และ  Cl^- (aq)  (ตัวถูกละลาย)

        การแยกสารละลายอิเล็กโตรไลต์ด้วยไฟฟ้า ที่เกิดขึ้นคือ   น้ำและไอออนลบของตัวถูกละลายจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วบวก เพื่อไปให้อิเล็กตรอน  เกิด ปฏิกิริยาออกซิเดชัน  ซึ่งสารใดจะเป็นตัวให้อิเล็กตรอนหรือเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน พิจารณาจากค่า E⁰  ถ้ามีค่า  E⁰  ต่ำ  สารนั้นจะเป็นตัวเกิด ปฏิกิริยาออกซิเดชัน คือ เกิดการให้อิเล็กตรอนที่ขั้วบวกนั้นได้ดีกว่า  ที่เหลือก็ไม่เกิดปฏิกิริยาใด ๆ

        ส่วนน้ำและไอออนบวกของตัวถูกละลาย จะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วบวก  ไปรับอิเล็กตรอน  เกิดปฏิกิริยารีดักชัน  ในทำนองเดียวกัน  สารใดจะสามารถรับอิเล็กตรอนได้ก็ให้พิจารณาจากค่า  E⁰  โดยถ้ามีค่า  E⁰  สูงกว่าสารนั้นก็จะสามารถรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่า  สารที่เหลือก็จะไม่เกิดปฏิกิริยา

ตัวอย่างอิเล็กโทรลิซิส

1. การแยกเกลือ  NaCl  หลอมเหลวด้วยไฟฟ้า

ภาพอิเล็กโทรลิซิสโซเดียมคลอไรด์ที่หลอมเหลว
ที่มา : https://il.mahidol.ac.th/e-media/electrochemistry/web/electrolysis.htm

  ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

        ดังนั้นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นคือ

                ที่ขั้วแอโนด  เกิด  Cl₂                             ที่ขั้วแคโทด  เกิด  Na (s)

        ในอุตสาหกรรมเตรียมโซเดียม  ก็ใช้วิธีการอิเล็กโทรลิซิสโซเดียมคลอไรด์หลอมเหลว  โดยใช้เซลล์

อิเล็กโตรไลต์ที่สร้างขึ้นเฉพาะ  เรียกว่า  Downs  cell  ดังรูปที่ 2 

ภาพ เซลล์อิเล็กโตรไลต์เฉพาะ  เรียกว่า  Downs  cell
ที่มา : https://corrosion-doctors.org/Electrowinning/Sodium.htm

2. การแยกสารละลายโซเดียมซัลเฟตด้วยไฟฟ้า

        ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอธิบายได้ดังนี้

        ที่ขั้วแอโนด (ขั้วบวก)  โมเลกุลของน้ำและ  S₂O₈^2-  เคลื่อนที่เข้าไปให้อิเล็กตรอน  สารใดจะสามารถให้ได้พิจารณาจากค่า    E⁰  ดังนี้

                S₂O₈^2-  (aq)  +   2e^-  ---->   2SO₄^2- (aq)             E⁰  =  +2.01  V     …………… (1)

                O₂ (g)  +  4H⁺ (aq)  +  4e^-  ---->  2H₂O (l)          E⁰  =   +1.23  V     …………… (2)

        จากการพิจารณาค่า  E⁰  พบว่า  E⁰  ของปฏิกิริยาในสมการ  (2)  ต่ำกว่าปฏิกิริยาในสมการ (1)  แสดงว่า เกิดสารตามสมการที่  (2)  ได้ง่ายกว่าเกิดสารในสมการที่  (1)  ดังนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ขั้วบวก หรือขั้วแอโนดคือ

                2H₂O (l)     ---->   O₂ (g)  +  4H⁺ (aq)  +  4e^-      E⁰  =   -1.23  V     …………… (3)

        ที่ขั้วแคโทด (ขั้วลบ)

                โมเลกุลของน้ำและ  Na⁺  เคลื่อนที่เข้าไปรับอิเล็กตรอน  สารใดจะสามารถรับอิเล็กตรอนได้พิจารณาจากค่า    E⁰  ดังนี้

                Na⁺  (aq)  +   e^-   ----> Na (s)                          E⁰  =   -2.71  V     …………… (4)

                2H₂O (l) +  2e^-   ---->  H₂ (g) + 2OH^- (aq) E⁰  =   -0.83  V     …………… (5)

        จากการพิจารณาค่า  E⁰  พบว่า  E⁰  ของปฏิกิริยาในสมการ  (5)  สูงกว่าปฏิกิริยาในสมการ (4)  แสดงว่า เกิดสารตามสมการที่  (5)  ได้ง่ายกว่าเกิดสารในสมการที่  (4)  ดังนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ขั้วบวก หรือขั้วแอโนดคือ

                2H₂O (l) +  2e^-   ----> H₂ (g) + 2OH^- (aq)  E⁰  =   -0.83  V     …………… (6)

         (5) x 2 ;  4H₂O (l) +  4e^-  ---->  2H₂ (g) + 4OH^- (aq)     E⁰  =   -0.83  V     …………… (6)

        นำสมการที่  (3)  + (6)  จะได้

                4H₂O (l) +   2H₂O (l)    ---->2H₂ (g) + O₂ (g)  +  4OH^- (aq)  +  4H⁺ (aq)

                6H₂O (l)  ---->2H₂ (g) + O₂ (g) +  4H₂O (l)             E⁰ _รวม =  (-0.83)+(-1.23)   =  -2.06  V

                2H₂O (l)  ---->2H₂ (g) + O₂ (g)                E⁰ _รวม  =  -2.06  V

        เพราะฉะนั้นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

                ที่ขั้วแคโทด  เกิด ก๊าซไฮโดรเจน                 ที่ขั้วแอโนด เกิดก๊าซออกซิเจน

แหล่งที่มา

แฟรงค์ เดวิด วี. (2547). ชุดสำรวจโลกวิทยาศาสตร์องค์ประกอบพื้นฐานทางเคมี. กรุงเทพฯ: เพียร์สัน เอ็ดดูเคชัน อินโดไชน่า.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.). (2551).หนังสือเรียนเคมีพื้นฐานและเพิ่มเติม ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4-6 เล่ม 4 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พ.ศ. 2551. กรุงเทพฯ : คุรุสภาลาดพร้าว.

ศรีลักษณ์ พลวัฒนะ, และคณะ.(2551). หนังสือเรียนเสริมฯ เคมีไฟฟ้า ม.4-6 ช.4 สำนักพิมพ์ แม็ค บจก. สนพ.

         การผุกร่อนของโลหะ คือ กระบวนการของปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดจากโลหะถูกออกซิไดส์เป็นสาร ประกอบในภาวะแวดล้อมต่างๆกัน เช่น การเกิดสนิม(Iron rust Fe₂O₃.nH₂O)โลหะเงินเกิดความหมอง (Tranishedsilver , Ag₂S) การเกิดสารสีเขียว(Green patina  CuCO₃) เคลือบบนโลหะทองแดง  ทองเหลือง  ทองบรอนซ์

          ลักษณะสำคัญของการผุกร่อนของโลหะ

1. การผุกร่อนของโลหะเกิดจากปฏิกิริยารีดอกซ์โดยโลหะให้อิเล็กตรอนเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ส่วนสารอื่นที่รับอิเล็กตรอนจะเกิดปฏิกิริยารีดักชัน หรือเป็นตัวออกซิไดซ์
2. เหล็กทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจน และน้ำ เกิดออกไซด์ Fe₂O₃  เรียกว่า  การเกิดสนิมเหล็ก (Rust)
3. สนิมของโลหะต่างชนิดกันจะเกิดสีต่างกัน เช่น  สนิมเหล็ก Fe₂O₃  มีสีน้ำตาล  สนิมทองแดง  CuO  มีสีดำ หรือสีน้ำตาลดำ  ส่วนสนิมอลูมิเนียมคือ  Al₂O₃  มีสีขาว
4. สนิมของโลหะมักเกิดในรูปของออกซิได์ เช่น  Fe₂O₃  , Al₂O₃    , CuO
5. โลหะที่ผุกร่อนง่าย ได้แก่  โลหะที่มีค่า  E⁰  ต่ำ  เช่น  โลหะอัลคาไลน์ (หมู่ 1A)   และโลหะ      อัลคาไลน์เอิร์ท (หมู่  2A) 
6. ปัจจัยที่จะทำให้โลหะทั่วไปผุกร่อนสรุปได้ดังนี้

                    6.1 โลหะจุ่มในกรด (ยกเว้นโลหะมีตระกูล  Au , Ag , Pt)  จะผุกร่อนเกิดการไฮโดรเจน  เช่น

                               Mg (s)  +  2H⁺ (aq)   ---- >  Mg²⁺ (aq)  +  H₂ (g)

                    6.2 โลหะจุ่มอยู่อยู่ในไอออนบวกของโลหะที่มีค่า  E⁰  สูงกว่า  จะเกิดการผุกร่อนได้  เช่น   โลหะเห,กจะเกิดการผุกร่อนได้เมื่อจุ่มอยู่ในสารละลาย Cu²⁺ (aq)  ซึ่งเกิดปฏิกิริยาขึ้นดังนี้

                              Fe (s)  +  Cu²⁺(aq)  ---- >    Fe²⁺ (aq)  +  Cu (s)

                    6.3  โลหะทำปฏิกิริยากับ  O₂  และน้ำพร้อมกันจะเกิดออกไซด์  เรียกกระบวนการนี้ว่า  การเกิดสนิม

การศึกษาการผุกร่อนของโลหะเหล็ก

1. เหล็กจะเป็นสนิมอย่างช้า ๆ  เมื่อสัมผัสกับอากาศแห้ง  เพราะอะตอมของเหล็กที่ผิวหน้าจะทำปฏิกิริยาอย่างช้า ๆ  กับก๊าซออกซิเจนในบรรยากาศ  เกิดออกไซด์ของเหล็กหลายชนิดปนกัน  ดังนี้

                    2Fe (s)  +  O₂ (g)  ---- >    2FeO (s)

                    4Fe (s)   +  3O₂ (g)  ---- >    2Fe₂O₃ (s)

                    3Fe (s)  +  2O₂ (g)  ---- >    Fe₃O₄ (s)

          โลหะที่เกิดสนิมขึ้นจะเกิดรูจำนวนมากที่ผิวของโลหะ  ทำให้อะตอมของออกซิเจนและน้ำสามารถเข้าไปทำปฏิกิริยากับโลหะ ทำให้เกิดกระบวนการผุกร่อนต่อ  ๆ  ไป

      2. เหล็กจุ่มในสารละลายกรดเกิดปฏิกิริยาการผุกร่อน ได้ไอออนของเหล็กและก๊าซไฮโดรเจน  ดังนี้

                              Fe (s) + 2H⁺ (aq)  ---- >    Fe²⁺ (aq)  +  H₂ (g)    

                    2Fe (s) + 6H⁺ (aq)  ---- >    2Fe³⁺ (aq)  + 3 H₂ (g)

                    ถ้ามี  O₂  อยู่ด้วย  Fe²⁺ จะถูกออกซิไดซ์เป็น  Fe³⁺  ไอออนดังนี้

                              4Fe²⁺ (aq) +  O₂ (g)  +   4H⁺ (aq)  ---- >   4Fe³⁺ (aq)  + 2 H₂O  (l )

                    ทุกปฏิกิริยาข้างต้นนี้สามารถเกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติ

3. เหล็กจะไม่เป็นสนิมเมื่อสัมผัสกับน้ำที่ไม่มีออกซิเจนละลายอยู่ 

4. เหล็กจะเป็นสนิม  เมื่อสัมผัสกับน้ำที่มีออกซิเจนละลายน้ำ  ได้ดีกว่าการสัมผัสกับอากาศแห้ง ๆ ที่ปราศจากน้ำ 

                    เมื่อโลหะเหล็กอยู่ในน้ำที่มีก๊าซออกซิเจนละลายอยู่จะเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์เกิดขึ้นดังนี้

                    ปฏิกิริยาออกซิเดชัน

                                        Fe (s)  ---- >    Fe²⁺ (aq)  +  2e^-

                    ปฏิกิริยารีดักชัน

                                        O₂ (g) + 2H₂O (l) + 2e^-   ---- >   4OH^- (aq)

                    ปฏิกิริยาสุทธิ  ;

                                        2Fe (s) + O₂ (g) + 2H₂O(l) ---- >   2Fe²⁺(aq)+4OH^-(aq)

                    Fe²⁺  และ  OH^-  ที่เกิดขึ้นจะรวมตัวกันเกิดเป็นตะกอน  Fe(OH)₂  แล้วถูกออกซิไดส์ด้วย  H₂O  และ  O₂  เป็นสนิมในที่สุด

                    4Fe(OH)₂ (s)  + O₂ (g)  + 2H₂O (l) ---- >   4Fe (OH)₃ (s)

                    2Fe (OH)₃ (s)  ---- >    Fe₂O₃ . H₂O (s)  +  2H₂O (l)

5. เหล็กจะเกิดสนิมเร็วขึ้นเมื่อสัมผัสกับโลหะทองแดง

          อธิบายได้ในรูปเซลล์กัลวานิกที่จุด 2 จุดโลหะ  เหล็กสัมผัสกับโลหะทองแดง  โดยโลหะเหล็กทำหน้าที่แอโนดให้อิเล็กตรอนเกิด  Fe²⁺  ไอออน

          แอโนด  ;  Fe (s)  ---- >    Fe²⁺ (aq)  +  2e^-           E⁰  =  0.409  V

          แคโทด ;   O₂ (g) + 2H₂O (l) + 2e^-  ---- >    4OH^- (aq)    E⁰  =  0.401  V

          Fe²⁺  ไอออนที่เกิดขึ้นที่แอโนดแพร่มารวมตัวกับ  OH^-  ไอออนที่แคโทดเกิดตะกอนแล้วถูก        ออกซิไดซ์ไปเป็นสนิมเหล็กในที่สุด  เรียกกระบวนการนี้ว่า  galvanic  corrosions  เพราะปฏิกิริยาสุทธิคล้ายปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์กัลวานิก

          โลหะทองแดงจะไม่ผุกร่อนเมื่อสัมผัสกับเหล็ก  เพราะว่าทองแดงเป็นตัวรีดิวซ์อ่อนกว่าเหล็ก  ถ้าเซลล์กัลวานิกประกอบด้วยโลหะทองแดงเป็นแอโนด  เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันจะพบว่าอิเล็กตรอนไหลไปยังโลหะเหล็กที่เป็นแคโทดโดยมี  O₂  ละลายอยู่ในน้ำ  และก๊าซ  O₂  ถูกรีดิวซ์

          แอโนด  ;  Cu (s)  ---- >    Cu²⁺ (aq)  +  2e^-              E⁰   =  -0.34  V

          แคโทด  ; O₂ (g) + 2H₂O (l) + 2e^-  ---- >    4OH^- (aq)    E⁰  =  0.401  V

          ศักย์ไฟฟ้าสุทธิของปฏิกิริยานี้มีค่าน้อยกว่า ศักย์ไฟฟ้าสุทธิของปฏิกิริยาที่เกิดเหล็กเป็นแอโนด

          Cu (s) + O₂ (g) + 2H₂O (l)  ---- >      Cu²⁺ (aq)  +  4OH^- (aq)   E⁰ _cell  =  0.061  V

          Fe (s) + O₂ (g) + 2H₂O (l)  ---- >    Fe²⁺ (aq)  +  4OH^- (aq)  E⁰ _cell =  0.810  V

          ดังนั้น  เหล็กจึงผุกร่อนง่ายกว่าทองแดง

6. เหล็กจะไม่เป็นสนิมเมื่อสัมผัสกับโลหะสังกะสี หรือแมกนีเซียม

          โลหะที่เป็นตัวรีดิวซ์ที่ดีกว่าเหล็ก ( คือ โลหะที่มี E⁰ ต่ำกว่า เช่น Zn ,Mg)  สัมผัสกับเหล็กจะสามารถป้องกันการผุกร่อนได้ดังรูป 3   กระบวนการนี้เรียกว่า  Cathodic  protection  ซึ่งสามารถอธิบายในรูปเซลล์กัลวานิกคือ โลหะเหล็กเป็นแคโทด ส่วนโลหะสังกะสีหรือแมกนีเซียมจะเป็นแอโนด  เกิดปฏิกิริยาดังนี้

          แอโนด  ;  Zn (s)  ---- >    Zn²⁺ (aq)  +  2e^-               E⁰  =  0.763  V

          แคโทด  ;  O₂ (g) + 2H₂O (l) + 2e^-  ---- >    4OH^- (aq)    E⁰  =  0.401  V

          ปฏิกิริยารวม ; Zn (s) + O₂ (g) + 2H₂O (l)   ---- >    Zn²⁺ (aq) + 4OH^- (aq)  , E⁰ _cell   =  1.164   V

                     ศักย์ไฟฟ้าสุทธิสำหรับปฏิกิริยานี้มีค่ามากกว่าศักย์ไฟฟ้าสุทธิ สำหรับปฏิกิริยาที่มีเหล็กเป็นแอโนด  ดังนั้นโลหะสังกะสีจะผุกร่อนแทนเหล็ก โดยหลักการนี้ได้นำมาใช้ทำสังกะสีมุงหลังคา กล่าวคือใช้โลหะสังกะสีเคลือบแผ่นเหล็กเพื่อป้องกันการผุกร่อนของแผ่นเหล็ก

ภาพการผุกร่อนของเหล็กสามารถป้องกันโดยวิธี Cathodic  protection
ที่มา : https://www.hubbell.com/continentalindustries/en/cathodic-market

แหล่งที่มา

แฟรงค์ เดวิด วี. (2547). ชุดสำรวจโลกวิทยาศาสตร์องค์ประกอบพื้นฐานทางเคมี. กรุงเทพฯ:เพียร์สัน เอ็ดดูเคชัน อินโดไชน่า.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.). (2551).หนังสือเรียนเคมีพื้นฐานและเพิ่มเติม ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4-6 เล่ม 4 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พ.ศ. 2551. กรุงเทพฯ : คุรุสภาลาดพร้าว.

ศรีลักษณ์ พลวัฒนะ, และคณะ.(2551). หนังสือเรียนเสริมฯ เคมีไฟฟ้า ม.4-6 ช.4 สำนักพิมพ์ แม็ค บจก. สนพ.

 ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี

           หลักการของเซลล์ไฟฟ้าเคมีสามารถนำมาใช้ประโยชน์ต่าง ๆ ได้มากมาย  และปัจจุบันมีการพัฒนาเทคโนโลยีให้ก้าวหน้าเพิ่มขึ้นอยู่ตลอดเวลา  เช่น  การทำอิเล็กโทรไดอะลิซิส  และการทำเซลล์เชื้อเพลิง

1. การทำอิเล็กโทรไดอะลิซีสน้ำทะเล

          เนื่องจากน้ำทะเลมีอยู่ประมาณ  72 %  ของพื้นที่โลก  ดังนั้น  จึงพบส่วนที่เป็นน้ำจืดน้อย  น้ำทะเลในมหาสมุทรมีเกลือละลายอยู่  3.5 % โดยมวล  และความเข้มข้นจะเพิ่มขึ้นทุกปี  ไอออนต่าง ๆ  ที่พบในน้ำทะเลแสดงได้ดังนี้

ตารางที่ 1  ไอออนที่พบในน้ำทะเลที่ความเข้มข้นมากกว่า  0.001  g / kg

การทำน้ำทะเลให้เป็นน้ำจืดมี  3  วิธี คือ

1. Electrodialysis   เป็นการแยกไอออนของเกลือออกจากน้ำทะเลด้วยไฟฟ้ากระแสตรง
2. Solar  Distillation  เป็นการกลั่นน้ำทะเลด้วยพลังงานแสงอาทิตย์
3. Reverse Osmosis เป็นกระบวนการให้โมเลกุลของน้ำผ่านเยื่อบาง ๆ ไปมาด้วยแรงดันออสโมซิส

การทำอิเล็กโทรไดอะลิซิสน้ำทะเล

          อิเล็กโทรไดอะลิซิส เป็นเซลล์อิเล็กโทรไลต์ชนิดหนึ่งที่ใช้แยกไอออนออกจากสารละลาย  โดยให้ไอออนผ่านแผ่นเยื่อบาง ๆ (Semipermeable  membrane)  ไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีประจุตรงข้าม  ทำให้สารละลายที่อยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้าจะมีความเข้มข้นของไอออนลดลง  โดยหลักการนี้สามารถนำไปใช้แยกโซเดียมไอออน  และคลอไรด์ไอออนออกจากน้ำทะเลได้  ซึ่งเป็นวิธีในการผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลวิธีหนึ่ง

ภาพ  เซลล์อิเล็กโทรไดอะลิซิสทำน้ำทะเลให้เป็นน้ำจืด
ที่มา : http://119.46.166.126/self_all/selfaccess12/m6/704/lesson2/index4.php

2. เซลล์เชื้อเพลิง (Fuel  cell) เป็นเซลล์กัลวานิกชนิดหนึ่งที่ใช้สารเชื้อเพลิงทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนแล้วได้กระแสไฟฟ้า  เขียนเป็นแผนภาพดังนี้

                    สารเชื้อเพลิง  +  ก๊าซออกซิเจน  ®  สารผลิตภัณฑ์

           สารเชื้อเพลิง  เช่น  ก๊าซไฮโดรเจน  ,ไฮโดรคาร์บอน  เช่น  CH₄  ,  C₃H₈  ,  เมทานอล (CH₃OH)

ส่วนประกอบของเซลล์เชื้อเพลิง

1. ขั้วไฟฟ้า  ใช้ขั้วเฉื่อย

               1.1 ขั้วแอโนด  เป็นขั้วเฉื่อยที่ผ่านสารที่เป็นเชื้อเพลิงลงไปแล้วเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน  ที่ขั้วนี้อิเล็กตรอนจะไหลออก  จัดเป็นขั้วลบ

               1.2 ขั้วแคโทด  เป็นขั้วเฉื่อยที่ผ่านก๊าซออกซิเจน ลงไป และเกิดปฏิกิริยารีดักชัน  มีอิเล็กตรอนไหลเข้า  จัดเป็นเป็นขั้วบวก

2. สารละลายอิเล็กโทรไลต์  ส่วนมากเป็นสารละลายกรดแก่  และเบสแก่

          ประโยชน์ของเซลล์เชื้อเพลิง

•    เป็นแหล่งพลังงานในยานอวกาศ
•    ทางการแพทย์ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งให้กระแสไฟฟ้าในเครื่องมือที่ช่วย ทำให้หัวใจเต้นเป็นปกติสำหรับผู้ที่เป็นโรคหัวใจ  และใช้เป็นแหล่งกระแสไฟฟ้าในเครื่องช่วยการฟังของผู้พิการทางหู
•    ให้พลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าพลังงานที่ได้จากเครื่องยนต์สันดาปภายใน  เพราะไม่มีการสูญเสียพลังงานไปกับแรงเสียดทานจากเครื่องยนต์

          เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน -  ออกซิเจน

                    เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นเชื้อเพลิง กับก๊าซออกซิเจน ทำให้เกิดพลังงานไฟฟ้าและน้ำขึ้น

          ส่วนประกอบของเซลล์

          1.ขั้วไฟฟ้า

                    1.1 แอโนด  เป็นขั้วเฉื่อยที่มีรูพรุน  ๆ ที่ผสมด้วย  Pt  หรือ  Pd  เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา  แล้วผ่านก๊าซไฮโดรเจนลงไป เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับ  OH^-  ให้อิเล็กตรอนไหลออก จัดเป็นขั้วลบ

                    1.2 แคโทด  เป็นขั้วเฉื่อยมีรูพรุน  ๆ  ที่ผสมด้วย  C  ,  Pt  หรือ Ag  เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแล้ว

ผ่านก๊าซออกซิเจน  ลงไปเกิดปฏิกิริยารีดักชันกับน้ำ  ทำให้อิเล็กตรอนไหลเข้า  จัดเป็นขั้วบวก

          2.สารละลายอิเล็กโทรไลต์  เช่น  สารละลาย  KOH  หรือ  NaOH 25%  โดยมวล

ภาพแผนภาพเซลล์เชื้อเพลิง 
ที่มา : https://web.ku.ac.th/schoolnet/snet5/topic9/fuel.html

          เซลล์เชื้อเพลิงนี้อาศัยหลักการให้  ก๊าซไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจน  เกิดเป็น น้ำ  ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแสดงให้เห็นได้ดังนี้

          แอโนด ;  H₂ (g)  จะแพร่ผ่านเข้าที่ผิวของขั้ว  โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้ก๊าซไฮโดรเจนแตดตัวเป็น  H  อะตอม แล้วทำปฏิกิริยากับ  OH^-  ของสารอิเล็กโทรไลต์เกิดน้ำขึ้น

                    H₂ (g)  2H (g)

                    2H (g)  +  2OH^-  (aq)  ®  2H₂O  +  2e^-

          ปฏิกิริยารวมที่ขั้วแอโนด ; H₂ (g)  +2OH^-  (aq)  ®  2H₂O  +  2e^-         E⁰  =  0.83  V

          แคโทด ;  อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นผ่าจากขั้วแอโนดไปตลอดยังขั้วแคโทด  ก๊าซออกซิเจน ถูกดูดเข้าไปที่ผิวแคโทด  และถูกรีดิวซ์ เป็น  OH^-  ดังนี้

                    O₂ (g)  +  2H₂O (l)  + 4e^-  ®  4OH^- (aq)                 E⁰  =  0.40  V

          ปฏิกิริยาสุทธิของเซลล์คือ

                              H₂ (g)  + O₂ (g)    ®    2H₂O           E⁰  =  1.23 V

          เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะแก่สิ่งแวดล้อม  เพราะเกิดไอน้ำ มีประสิทธิภาพในการใช้งานสูงมาก  ใช้ประโยชน์ในยานอวกาศ  เพราะให้พลังงานได้อย่างต่อเนื่อง และน้ำที่เกิดขึ้นสามารถใช้ดื่มได้

          เซลล์เชื้อเพลิงโพรเพน - ออกซิเจน

          เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซโพรเพน (C₃H₈ )  กับก๊าซออกซิเจน  เกิด  CO₂  และ  น้ำ

ภาพแผนภาพแสดงเซลล์เชื้อเพลิงโพรเพน – ออกซิเจน
ที่มา : https://web.ku.ac.th/schoolnet/snet5/topic9/fuel.html

          ส่วนประกอบของเซลล์

          1.ขั้วไฟฟ้าเฉื่อย

                    1.1   เป็นขั้วเฉื่อยที่  C₃H₈  เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันชันกับ  H₂O  ได้  CO₂  และ  H⁺  ทำให้เกิดอิเล็กตรอนไหลออกจากขั้ว  จัดเป็นขั้วลบ

                    1.2  แคโทด เป็นขั้วเฉื่อย  ออกซิเจนเกิดปฏิกิริยารีดักชันกับ  H⁺  ได้  น้ำ (อิเล็กตรอนไหลเข้า จัดเป็นขั้วบวก)

2. สารละลายอิเล็กโทรไลต์ ได้แก่  กรดแก่เข้มข้น  เช้น  H₂SO₄  หรือ  H₃PO₄

          ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

                    แอโนด ;  C₃H₈ (g)  +  6H₂O ®  3CO₂ (g)  +  20H^- + 20e^-

                    แคโทด ;  5O₂ (g) + 20H^- (aq) + 20e^- ® 10H₂O (l)

          ปฏิกิริยาสุทธิ  ; C₃H₈ (g)  + 5O₂ (g) ® 3CO₂ (g)  +  10H₂O (l)

          เซลล์เชื้อเพลิงนี้มีประสิทธิภาพเป็น   70 %  และประสิทธิภาพในการทำงานสูงประมาณ  2  เท่าของเครื่องยนต์สันดาปภายใน  แต่เซลล์ชนิดนี้ก่อให้เกิดมลพิษต่ออากาศ คือเกิดก๊าซ    CO₂ (g)

แหล่งที่มา

แฟรงค์ เดวิด วี. (2547). ชุดสำรวจโลกวิทยาศาสตร์องค์ประกอบพื้นฐานทางเคมี. กรุงเทพฯ: เพียร์สัน เอ็ดดูเคชัน อินโดไชน่า.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.). (2551).หนังสือเรียนเคมีพื้นฐานและเพิ่มเติม  ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4-6 เล่ม 4 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พ.ศ. 2551. กรุงเทพฯ : คุรุสภาลาดพร้าว.

ศรีลักษณ์ พลวัฒนะ, และคณะ.(2551). หนังสือเรียนเสริมฯ เคมีไฟฟ้า ม.4-6 ช.4 สำนักพิมพ์แม็ค บจก. สนพ.