ประโยชน์ของเซลล์กัลวานิก

         เซลล์กัลวานิกในเชิงพาณิชย์ คือ  เซลล์กัลวานิกที่ผลิตขึ้นมาเพื่อทำการค้าขายในเชิงพาณิชย์  จำแนกออกเป็น  2  ประเภทดังนี้

1. เซลล์ปฐมภูมิ (Primary  cell)

          เซลล์ปฐมภูมิ  คือ   เซลล์ไฟฟ้าประเภทหนึ่งที่เมื่อสร้างเสร็จแล้วนำไปใช้เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าออกได้ทันที  เมื่อใช้ไปแล้วส่วนประกอบบางส่วนจะหมดเปลืองไปโดยไม่กลับคืนเป็นสภาพเดิมได้อีก  หรือไม่สามารถนำกลับไปอัดไฟและนำกลับมาใช้ได้อีก  เช่น  เซลล์ดาเนียล  เซลล์แห้ง  เป็นต้น

2. เซลล์ทุติยภูมิ  (Secondary  cell  หรือ  Reversible cell)

          เซลล์ทุติยภูมิ  คือ  เซลล์ไฟฟ้าประเภทหนึ่งที่เมื่อสร้างเสร็จแล้วต้องนำไปอัดไฟเสียก่อนแล้วจึงจะนำไปใช้เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าออกได้  เมื่อใช้ไปแล้วส่วนประกอบบางส่วนจะหมดเปลือง  และแปรสภาพไป  แต่อาจทำให้กลับคงสู่สภาพเดิมได้อีก  โดยนำเซลล์ไฟฟ้าอัดไฟใหม่  เช่น  เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว  เซลล์นิกเกิล - แคดเมียม  เป็นต้น

          เซลล์แห้ง  (Dry cell)

          เซลล์แห้ง  (Dry cell)  คือ  เซลล์กัลวานิกซึ่งประกอบด้วยสารที่ไม่ไหลหกออกนอกเซลล์ได้  สารเหล่านี้จะอยู่ในภาพของของแข็ง  หรือกึ่งของเหลวที่ไม่สามารถไหลได้อย่างรวดเร็ว  เซลล์แห้งสามารถอยู่ในภาพกรด  หรือเบส ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของสารอิเล็กโทรไลต์

          ตัวอย่างของเซลล์แห้ง

          ก.  ถ่านไฟฉาย

          ถ่านไฟฉาย  เป็นเซลล์ปฐมภูมิชนิดเซลล์แห้ง ชนิดกรด ถ่านไฟฉายมีศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เริ่มต้น  ประมาณ  1.5  โวลต์ แต่ถ้าใช้ไปนาน ๆ ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์จะตกเหลือประมาณ  0.8  โวลต์  ขณะที่เกิดปฏิกิริยาจะเกิดสารผลิตภัณฑ์สะสมอยู่ภายในเซลล์  และถ้าเซลล์นี้ถูกทิ้งไม่ใช้เป็นวัน ๆ ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์จะกลับเพิ่มขึ้นเป็น  1.3  โวลต์ ขณะนั้นสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดจะกระจัดกระจายอยู่ทั่วไปในอิเล็กโทรไลต์นั้น 

ภาพที่ 1  ถ่านไฟฉาย
ที่มา : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:6_most_common_battery_types-1.jpg ,Lead holder

          ส่วนประกอบของถ่านไฟฉาย

          ถ่านไฟฉาย  1  เซลล์  ประกอบด้วย  2  ขั้ว คือ  ภาชนะที่ทำด้วยสังกะสีเป็นขั้วแอโนด  และใช้แกรไฟต์ (คาร์บอน) เป็นขั้วแคโทด  เป็นแท่งอยู่ตรงกลาง  และของผสมที่ชื้นของแอมโมเนียมคลอไรด์ (NH₄Cl)  แมงกานีส (IV) ออกไซด์  ซิงค์คลอไรด์  และสารเฉื่อยที่เป็นฉนวน  ได้แก่  สารที่เป็นเศษขี้เลื่อย  ของผสมนี้ถูกแยกออกจากกันด้วยกระดาษแผ่นรูพรุนแยกจากสังกะสีแอโนด  โดยกระดาษแผ่นรูพรุนทำหน้าที่เหมือนสะพานไอออนในเซลล์กัลวานิก  เมื่อเซลล์ขับกระแสไฟฟ้าออกมาจะพบว่าที่แอโนด สังกะสีถูกออกซิไดส์เกิดสังกะสีไอออนและอิเล็กตรอน  และที่แคโทด  แมงกานีส (IV) ออกไซด์  เกิดปฏิกิริยารีดักชัน  โดยแมงกานีสเปลี่ยนเลขออกซิเดชันจาก  +4  ใน  MnO₂  เป็น  +3  ใน   Mn₂O₃  ปฏิกิริยาที่เกิดในถ่านไฟฉายเป็นดังนี้

          แอโนด(ขั้วลบ) หรือขั้ว  Zn   ;           

Zn (s)  ®  Zn²⁺ (aq)  +  2e^-  E⁰  =  +0.763   V

          แคโทด (ขั้วบวก) หรือขั้วแกร์ไฟต์  ;  

MnO₂ (s)  + 2NH₄⁺ (aq)  + 2e^-  ®  Mn₂O₃ (s) + 2NH₃ (g) + H₂O (l)    E⁰ = +0.50 V

          ปฏิกิริยาสุทธิของเซลล์  ;

Zn(s) + MnO₂ (s)  + 2NH₄⁺ (aq)®Zn²⁺ (aq)  + Mn₂O₃ (s) + 2NH₃ (g) + H₂O (l) ;  =  1.26 V

          ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่คำนวณได้ ทำที่ภาวะมาตรฐาน (25⁰ C  1  atm)  แต่ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ในถ่านไฟฉายกลับเป็น  1.5  ค่าทั้งสองนี้ต่างกันเล็กน้อย เพราะถ่านไฟฉายประกอบด้วยสารที่มีความเข้มข้นสูงกว่าความเข้มข้นที่ภาวะมาตรฐาน

          ก๊าซแอมโมเนียที่เกิดขึ้นที่ขั้วแคโทด ทำปฏิกิริยากับสังกะสีไอออน  เกิดสารเชิงซ้อน [ Zn(NH₃)₄]²⁺  ดังนี้

                   Zn²⁺ (aq)  +  4NH₃ (g)  ®   [ Zn(NH₃)₄]²⁺(aq)

          ปฏิกิริยานี้ช่วยลดความเข้มข้นของสังกะสีไอออน  ทำให้ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เกือบคงที่  และยังช่วยป้องกันไม่ให้โมเลกุลของก๊าซแอมโมเนีย  ซึ่งเป็นฉนวนรวมตัวกันเป็นชั้นบาง ๆ ไปเกาะที่ผิวขั้วแคโทด  เรียกว่า เกิด  Polarization  ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าหยุดไหลหรือลดลงได้  นอกจากนั้นปฏิกิริยานี้ยังช่วยลดความดันที่เกิดจากก๊าซแอมโมเนีย ซึ่งอาจจะดันให้เซลล์แตกเสียหายได้

          ข.  เซลล์อัคคาไลน์  (Alkaline  dry cells)

                   เซลล์อัลคาไลน์  เป็นเซลล์ปฐมภูมิชนิดหนึ่ง ซึ่งใช้หลักการเดียวกันกับถ่านไฟฉาย  แต่สารละลายอิเล็กโตรไลต์จะใช้ สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ แทนแอมโมเนียมคลอไรด์  ภาชนะที่ทำด้วยสังกะสีจึงไม่ผุกร่อนได้ง่ายใน  OH^-    ที่ขั้วแอโนดถูกล้อมรอบด้วยสารผสมระหว่างสังกะสีกับโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์มีลักษณะเป็นกาว (Paste)  ส่วนที่ขั้วแคโทดมีสารละลายผสมระหว่างแมงกานีส (IV)  ออกไซด์กับแกรไฟต์ล้อมรอบ  เซลล์ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เท่ากับ  1.54  โวลต์  เกือบคงที่  และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าถ่านไฟฉาย เมื่อเทียบราคาแล้วถูกกว่า ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์เป็นดังนี้

          ที่แอโนด  ;  Zn(s)  +  2OH^- (aq)  ®  ZnO (s)  +  H₂O (l)  +  2e^- 

          ที่แคโทด  ;  2MnO₂ (s) + H₂O (l)  +  2e^-   ®  Mn₂O₃ (s)  +  2OH^- (aq)

          ปฏิกิริยาสุทธิของเซลล์ คือ

                   Zn(s) + 2MnO₂ (s)  ®  Zn(OH)₂ (s)  +  Mn₂O₃ (s)

ภาพที่ 2  เซลล์อัลคาไลน์
ที่มา : http://www.satriwit3.ac.th/external_newsblog.php?links=1226

          ค.  เซลล์ปรอท ( Mercury cell)

                เซลล์ปรอท ( Mercury cell) หรือเซลล์รูบิน - มาลอรี (Rubin - mallory  cell)  เป็นเซลล์อัลคาไลน์ เช่นเดียวกับเซลล์อัลคาไลน์  และมีลักษณะคล้ายกัน  เปลี่ยนเฉพาะสารอิเล็กโทรไลต์จาก  MnO₂  เป็น  HgO  (เมอคิวรี (II) ออกไซด์)  เซลล์ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าของเซลล์  1.35  โวลต์  ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์ดังนี้

          แอโนด ;  Zn (s)  +  2OH^- (aq)  ®  ZnO (s)  +  H₂O (l)  +  2e^-           ,  E⁰  =  1.25  V

          แคโทด ;  HgO (s)  +  H₂O (l) + 2e^-  ®  Hg (l)  +  2OH^- (aq)    ,  E⁰   =  0.098  V

          ปฏิกิริยาสุทธิ  ;   Zn (s)  + HgO (s)  ® ZnO (s)  +   Hg (l)           ,  = 1.35 V

ภาพที่  3  เซลล์ปรอท
ที่มา : http://www.satriwit3.ac.th/external_newsblog.php?links=1226

          ง.  เซลล์เงิน (Zinc-silver oxide cell หรือ  Button Battery)

          เซลล์เงิน  คือ เซลล์ปฐมภูมิเช่นเดียวกับเซลล์อัลคาไลน์ และใช้หลักการเดียวกัน เพียงแต่ใช้  AgO  แทน  MnO₂  เท่านั้น  เซลล์ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าของเซลล์  เท่ากับ  1.58  V  ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์ดังนี้

          ที่ขั้วแอโนด  ;  Zn (s)  +  2OH^- (aq)  ®  ZnO (s)  +  H₂O (l)  + 2e^-     ,  E⁰  =  1.25  V

          ที่ขั้วแคโทด  ;  2AgO (s) + H₂O (l) + 2e^- ®  Ag₂O (s)  + 2OH^- (aq)   ,  E⁰  =  0.61  V

          ปฏิกิริยาสุทธิ ; Zn (s)  +  2AgO (s)   ® ZnO (s)  + Ag₂O (s)     , =  1.86  V

          ภายหลังจากซิลเวอร์(II)  ออกไซด์ถูกใช้ในการเกิดปฏิกิริยาสมบูรณ์  เซลล์นี้ก็ยังคงเกิดปฏิกิริยารีดักชันต่อไป  โดยซิลเวอร์ (I) ออกไซด์  (Ag₂O)  เปลี่ยนไปเป็นโลหะเงิน (Ag)  แต่จะให้ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ต่ำลง  ดังสมการของปฏิกิริยาต่อไปนี้

          Zn (s) + Ag₂O (s)  + H₂O (l)  ®  Zn(OH)₂ (s)  + 2Ag (s)   ,  E⁰  =  1.58 V

          เซลล์เงินมีอายุการใช้งานยาวกว่าเซลล์ปฐมภูมิอื่น ๆ แต่ราคาแพงกว่า  เพราะเซลล์นี้ประกอบด้วยเงิน  เซลล์เงินปัจจุบันพบว่าใช้ประโยชน์เป็นแหล่งให้พลังงานไฟฟ้า ในนาฬิกาข้อมือ  เครื่องคิดเลขไฟฟ้า  และกล้องถ่ายภาพอัตโนมัติ

ภาพที่  4  เซลล์เงิน
ที่มา : http://www.satriwit3.ac.th/external_newsblog.php?links=1226

          เซลล์ทุติยภูมิ (Secondary cell หรือ  Reversible cell)

            เซลล์ทุติยภูมิ  เป็นเซลล์กัลวานิกชนิดหนึ่งที่สารตั้งต้นที่ถูกใช้ไปแล้วสามารถทำให้กลับคืนมาใหม่ได้  โดยการผ่านไฟฟ้ากระแสตรงลงไปในเซลล์ด้วยปริมาณที่พอเหมาะ  ซึ่งเรียกกระบวนการนี้ว่า  อัดไฟ  (Charging  หรือ Recharging)   เซลล์ชนิดนี้ก่อนจะนำไปใช้ต้องนำไปอัดไฟเสียก่อน  แล้วจึงนำไปใช้เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าออกได้  และเมื่อใช้ไปนาน ๆ  สารตั้งต้นจะถูกใช้หมดไป  จึงต้องนำไปอัดไฟใหม่เพื่อให้สารผลิตภัณฑ์กลับมาเป็นสารตั้งต้นใหม่อีกครั้ง  แล้วสามารถนำไปใช้จ่ายกระแสไฟฟ้าต่อได้  เช่น  เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว  เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม

          ก.  เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว (Lead  storage battery)

               เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว  เป็นเซลล์กัลวานิกชนิดเซลล์ทุติยภูมิ  ที่สามารถอัดไฟนำกลับมาใช้ใหม่ได้ และเนื่องจากตะกั่วเป็นธาตุที่มีความหนาแน่นสูง  จึงเป็นผลทำให้เซลล์ชนิดนี้ให้พลังงานต่อหนึ่งหน่วยมวลต่ำ  (0.022 Kwh/kg)  เมื่อนำเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วต่อกันเป็นอนุกรม  6  เซลล์  มีศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ประมาณ  12  โวลต์  แต่ละเซลล์ประกอบด้วยแอโนด เป็นตะกั่วอัด  พื้นผิวขรุขระเป็นรูพรุน   และแคโทดเป็นแผ่นตะกั่วเคลือบหุ้มด้วยเลด (IV) ออกไซด์ (PbO₂)  ขั้วทั้งสอง จุ่มในสารละลายกรดกำมะถันเข้มข้น  40%  โดยมวล  (ประมาณ  5.3  mol/dm³ )  มีความถ่วงจำเพาะ  1.3  และถ้าความถ่วงจำเพาะต่ำกว่า  1.1  จะต้องนำไปอัดไฟใหม่

          ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจากการจ่ายไฟของเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เป็นดังนี้

          ที่ขั้วแอโนด  ;  Pb (s)  +  SO₄^2- (aq)  ®  PbSO₄ (s)  +  2e^-   , E⁰ = +0.356  V

          ที่ขั้วแคโทด  ;  PbO₂ (s) + 4H⁺ (aq)  + SO₄^2- (aq) + 2e^- ® PbSO₄ (s) + 2H₂O (l)  ,  E⁰  = +1.685 V

          ปฏิกิริยาสุทธิเป็นดังนี้

                    Pb (s)  + PbO₂ (s) + 4H⁺ (aq)  + 2SO₄^2- (aq) ® 2PbSO₄ (s) + 2H₂O (l) , = +2.041 V

          ขณะที่เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นในวงจรของเซลล์จะเกิดตะกอน  PbSO₄  ตกลงที่ก้นภาชนะ  ความเข้มข้นของกรดกำมะถันลดลง  และลดลงถึงจุดหนึ่งต้องนำไปอัดไฟใหม่

แหล่งที่มา

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.). (2551).หนังสือเรียนรายวิชาพื้นฐาน เคมี ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4-6 เล่ม 4 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ตามหลักสูตรแกนกลาง การศึกษาขั้นพื้นฐาน พ.ศ. 2551. กรุงเทพฯ : คุรุสภาลาดพร้าว.

 ประโยชน์ของเซลล์อิเล็กโทรไลต์

          เซลล์อิเล็กโทรไลต์เป็นเซลล์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี  ซึ่งสามารถอาศัยหลักการนี้มาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้  เช่น  การชุบโลหะ  การทำโลหะให้บริสุทธิ์  การถลุงแยกแร่  การแยกสารละลายเกลือด้วยกระแสไฟฟ้า

          การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า (Electroplating)

          การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า  คือ  กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสอย่างหนึ่งที่อาศัยพลังงานไฟฟ้าทำให้ไอออนของโลหะชนิดหนึ่ง กลายเป็นโลหะเคลือบ หรือ เกาะบนโลหะอีกชนิดหนึ่ง  ซึ่งโดยหลักการนี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ เช่น  การป้องกันการผุกร่อนของโลหะบางชนิด  การทำให้โลหะมีความสวยงามและคงทน ฯลฯ   

          หลักทั่วไปในการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า

1. จัดชิ้นงานที่จะชุบต่อเข้ากับขั้วแคโทด (ขั้วลบ)

2. ต้องการชุบด้วยโลหะใด ให้ใช้โลหะนั้นเป็นแอโนด  (ขั้วบวก)

3. สารละลายอิเล็กโทรไลต์ต้องมีไอออนของโลหะที่ใช้เป็นขั้วแอโนด

4. ต้องใช้ไฟฟ้ากระแสตรง และการกำหนดศักย์ไฟฟ้าที่เหมาะสมก็จะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สวยงาม

           ตัวอย่างเช่น  ต้องการชุบสร้อยเงินให้เป็นสร้อยทอง  นำสร้อยเงินต่อเข้ากับขั้วแคโทด  และใช้โลหะทองคำ ต่อเข้ากับขั้วแอโนด  โดยใช้สารละลายที่มีไอออนของทอง  เช่น  Au⁺  ,  Au³⁺  เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์  แล้วต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง โดยปรับค่าศักย์ไฟฟ้าให้เหมาะสม  ก็จะได้สร้อยทองคำที่ทำจาก โลหะเงิน

          ตัวอย่างการชุบชิ้นงานทองแดงโดยใช้ไฟฟ้ากระแสตรง

ภาพที่  1  แสดงการชุบชิ้นงานด้วยทองแดงโดยใช้ไฟฟ้ากระแสตรง
ที่มา : https://sites.google.com/site/cartoon8821/

          จากภาพอธิบายได้ว่า

1. ต่อโลหะเงิน (Ag ) เข้ากับขั้วแอโนด หรือขั้วบวก

2. ต่อชิ้นงานที่จะเคลือบเข้ากับขั้วแคโทด หรือขั้วลบของแบตเตอรี่่

3. ใช้สารละลาย Ag⁺  เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์  เช่น  AgNO₃(aq)

4. ผ่านไฟฟ้ากระแสตรงที่มีศักย์ไฟฟ้าที่เหมาะสมลงไป

          เมื่อผ่านไฟฟ้ากระแสตรงลงไปในเซลล์ดังภาพ  จะพบว่า  อิเล็กตรอนจากแบตเตอรี่่จะเคลื่อนลงไปสู่ขั้วแคโทด ทำให้ที่ขั้วนี้มีปริมาณของอิเล็กตรอนมาก  และ  Ag⁺  ซึ่งเป็นไอออนบวกก็จะเคลื่อนที่เข้ามารับอิเล็กตรอน  เกิดปฏิกิริยารีดักชัน  กลายเป็น โลหะเงิน เกาะ /เคลือบอยู่บนชิ้นงาน  ขณะเดียวกันที่ขั้วแอโนดซึ่งมีโลหะเงินต่ออยู่ก็จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้  Ag⁺  ลงสู่สารละลายเพื่อชดเชยกับ  Ag⁺  ที่ลดลง ทำให้ความเข้มข้นของสารละลายอิเล็กโทรไลต์คงที่  และอิเล็กตรอนที่ขั้วแอโนดไหลเข้าไปที่ขั้วบวก(แคโทด) ของแบตเตอรี่่ ทำให้กระแสไฟฟ้าครบวงจร  ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ขั้วแอโนด และแคโทด เป็นดังนี้

          ที่ขั้วแอโนด ;  Ag(s)  ®  Ag⁺  (aq)  +  e^-

          ที่ขั้วแคโทด  ;  Ag⁺  (aq)  +  e^-  ®  Ag(s)

          การชุบโลหะให้ผิวเรียบและสวยงามนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยต่อไปนี้

1. สารละลายอิเล็กโทรไลต์ต้องมีความเข้มข้นที่เหมาะสม

2. กระแสไฟฟ้าที่ใช้ต้องปรับค่าความต่างศักย์ให้มีความเหมาะสมตามชนิดและขนาดของชิ้นโลหะที่ต้องชุบ

3. โลหะที่ใช้เป็นแอโนดต้องบริสุทธิ์ และถ้าไม่บริสุทธิ์ต้องใช้สารบางชนิดเติมลงไปเพื่อทำปฏิกิริยากับสารที่เป็นมลทินไม่ให้มาเกาะบนผิวโลหะที่นำมาชุบ  เช่น    ในทางอุตสาหกรรมจะใส่สารประกอบไซยาไนด์เพื่อให้ทำปฏิกิริยากับโลหะที่เป็นมลทิน โดยจะ เกิดสารประกอบเชิงซ้อน จึงไม่มารบกวนหรือเกาะบนโลหะที่ต้องการชุบ

4. ไม่ควรชุบนานเกินไป ควรชุบเพียง  2 -3  นาทีเท่านั้น 

          จะพบว่าในกระบวนการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า  จะมี  CN^-  อยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ทั้งนี้เพื่อใช้ทำปฏิกิริยากับไอออนของโลหะเกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อน  ทำให้ความเข้มข้นของโลหะไอออนลดลง  เป็นการป้องกันไม่ให้ไอออนบวกของโลหะเกิดเป็นโลหะเคลือบผิวสารที่ต้องการเร็วเกินไป  ซึ่งจะทำให้โลหะเคลือบได้หยาบไม่เรียบ  หลุดง่าย 

         การทำโลหะให้บริสุทธิ์ด้วยไฟฟ้า  (Electrorefining)

          การทำโลหะให้บริสุทธิ์  เป็นขั้นตอนหนึ่งในกระบวนการถลุงแร่  โดยทั่วไป  โลหะที่ถลุงได้จากแร่มักจะมีมลทินปนอยู่เล็กน้อย  เพื่อทำให้โลหะนี้บริสุทธิ์มากขึ้นจะใช้กระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ที่เรียกว่า Electrorefining ซึ่งมีหลักการดังนี้

1. นำโลหะที่จะทำให้บริสุทธิ์ต่อเข้ากับขั้วแอโนด (ขั้วบวก)

2. ใช้โลหะบริสุทธิ์อีกแท่งหนึ่งต่อเข้ากับขั้วแคโทด (ขั้วลบ)

3. ในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ต้องมีไอออนบวกของโลหะที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์ประกอบอยู่ด้วย

4. ต่อเข้ากับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง และจัดให้มีศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่เหมาะสม

          ตัวอย่างการทำโลหะทองแดงที่ได้จากการถลุงแร่คาลโคไพไรด์ (CuFeS₂)  ให้บริสุทธิ์ด้วยไฟฟ้า

ภาพที่  2 การทำโลหะทองแดงให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีการอิเล็กโทรลิซิส
ที่มา : https://rawiwanmim.wordpress.com

          การถลุงแร่ทองแดงชื่อว่า  คาลโคไพไรด์ (CuFeS₂) จะได้โลหะทองแดงที่บริสุทธิ์  99 %  เท่านั้น ถ้าต้องการทำให้บริสุทธิ์ขึ้นอีกต้องนำโลหะทองแดงที่ได้นี้ไปผ่านกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส  แยกมลทินในทองแดงออก

          มลทินที่พบในโลหะทองแดงมี  2  ชนิด  คือ

1. โลหะที่ถูกออกซิไดส์ง่าย (พวกนี้มีค่า  E⁰  ต่ำ ) เช่น  Zn  ,  Fe

2. โลหะที่ถูกออกซิไดซ์ยาก (พวกนี้มีค่า  E⁰  สูง ) เช่น  Pt   , Au  ,  Ag

          การจัดเครื่องมือดังภาพ  ต่อ  Cu  ที่ไม่บริสุทธิ์เข้ากับขั้วแอโนด  และ  Cu  บริสุทธิ์เข้ากับขั้วแคโทด   จุ่มขั้วทั้งสองในสารละลายอิเล็กโทรไลต์  CuSO₄   ผสมกับ  H₂SO₄  แล้วต่อให้ครบวงจรกับแบตเตอรี่่ ผ่านไฟฟ้ากระแสตรงที่มีศักย์พอเหมาะลงไป  จะพบว่าเกิดปฏิกิริยาขั้นที่ขั้วแอโนด  และแคโทดดังนี้

          ขั้วแคโทด ;   Cu²⁺ (aq)  +  2e^-   ®  Cu (s)

          ขั้วแอโนด ;    เป็นขั้วที่ต่อกับ  Cu  ไม่บริสุทธิ์ จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันขึ้น  โดยโลหะ  Cu  และพวกที่เป็นมลทิน  เช่น  Zn  ,  Fe  (มีค่า  E⁰  ต่ำ )  จะให้อิเล็กตรอนและเกิดเป็นไอออนบวก คือ  Cu²⁺  ,  Zn²⁺  ,  และ Fe²⁺    ส่วนพวกมลทินที่มี  E⁰  สูง  เช่น  Ag  ,  Pt  ,  Au   จะให้อิเล็กตรอนยาก  จะตกเป็นตะกอนลงที่แอโนด  เรียกตะกอนของโลหะพวกนี้ว่า  Anode  mud 

                   Cu (s)  ®  Cu²⁺ (aq)  +  2e^-

                   Zn (s)  ®  Zn²⁺ (aq)  +  2e^-

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

          ไอออนบวกของโลหะที่เกิดจากแอโนดในสารละลาย  คือ  Zn²⁺  (E⁰  =  -0.76 V)  ,  Fe²⁺ (E⁰  =  -0.41 V)ซึ่งมีค่า  E⁰  ต่ำกว่า  Cu²⁺  (E⁰  =  +0.34 V)  ดังนั้นจึงพบว่า  Cu²⁺  จะเข้าไปรับอิเล็กตรอนและเกิดปฏิกิริยารีดักชันเป็นโลหะ  Cu  ที่แคโทดได้ดีกว่า  Zn²⁺  ,  และ  Fe²⁺  ซึ่งรับอิเล็กตรอนยากกว่าและมีโอกาสเกิดเป็นโลหะที่แคโทดได้น้อย  จึงทำให้โลหะทองแดงที่แยกได้ที่ขั้วแคโทด  มีความบริสุทธิ์  99.95 % 

          H₂SO₄  ที่เติมลงไปจะมีหน้าที่ไปกัดกร่อนให้  Cu  ,  Zn  และ  Fe  เสียอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนเร็วและง่ายขึ้น

แหล่งที่มา

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

ศักย์ไฟฟ้าและปฏิกิริยาของเซลล์

        ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์

        กระแสอิเล็กตรอน ที่เกิดจากเซลล์ไฟฟ้าเคมี  เกิดจากแรงผลักอิเล็กตรอนออกจากขั้วแอโนด  ผ่านวงจรภายนอกไปยังขั้วแคโทด  เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจุดสองจุดที่มีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน  กระแสไฟฟ้าจะไหลจากศักย์ไฟฟ้าสูงไปสู่ศักย์ไฟฟ้าต่ำ  ซึ่งมีทิศทางการไหลสวนทางกับการไหลของอิเล็กตรอน   ความต่างศักย์จะวัดเป็นหน่วยโวลต์  เช่น  แบตเตอรี่มีความต่างศักย์  6 โวลต์  (V)

        ศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วของเซลล์ไฟฟ้าเคมี  เรียกว่า  ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์  (E _cell )  ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไอออนในเซลล์  อุณหภูมิ  และความดันย่อยของก๊าซที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของเซลล์

        ถ้าศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วของเซลล์ไฟฟ้าเคมี (เซลล์กัลวานิก) หาได้จากการใช้แต่ละครึ่งเซลล์ที่มีความเข้มข้นของไอออนมนเซลล์เท่ากับ   1  โมลต่อลิตร  ความดันย่อยของก๊าซที่เกี่ยวข้องเท่ากับ  1  บรรยากาศ และทำที่อุณหภูมิ  25 องศาสเซลเซียส ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์นี้เรียกว่า  ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์มาตรฐาน ()

        การอธิบายศักย์ไฟฟ้าของเซลล์  

        พลังงานที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยารีดอกซ์  ด้วยการเคลื่อนอิเล็กตรอนผ่านวงจรภายนอกจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งของเซลล์ไฟฟ้าเคมี  ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ขึ้น และพลังงานนี้จะมากหรือน้อยขึ้นกับกำลังจากแรงผลักอิเล็กตรอนออกจากขั้วแอโนดและแรงดึงดูดอิเล็กตรอนเข้าขั้วแคโทด  ในปฏิกิริยารีดอกซ์ถ้าเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันให้อิเล็กตรอนอย่างรวดเร็ว และเกิดปฏิกิริยารีดักชัน รับอิเล็กตรอนง่ายและรวดเร็ว ก็จะพบว่าเกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนอย่างรุนแรง ปฏิกิริยารีดอกซ์นี้ก็จะเกิดพลังงานปริมาณมาก  ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ก็จะมากขึ้นด้วย  (กำลังในการผลักและดูดอิเล็กตรอนของปฏิกิริยาในเซลล์ถูกวัดในภาพศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ (E)  เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า  แรงเคลื่อนไฟฟ้า )

          ศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์

        เมื่อนำครึ่งเซลล์  Zn (s) / Zn²⁺ (aq) ,  ครึ่งเซลล์   Cu (s) / Cu²⁺ (aq) และครึ่งเซลล์ Mg (s) / Mg²⁺ (aq) มาต่อเป็นเซลล์กัลวานิกแบบต่าง ๆ และต่อกับแกลวานอมิเตอร์เข้าไปในวงจร  และอ่านค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ได้ดังตารางดังนี้

          จากการทดลองจะเห็นได้ว่าเมื่อใช้ครึ่งเซลล์ต่างกัน ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์จะไม่เท่ากัน  แสดงว่าค่าศักย์ไฟฟ้าของแต่ละครึ่งเซลล์มีค่าไม่เท่ากัน  การวัดค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์  เพื่อหาค่าศักย์ไฟฟ้า จะกระทำโดยตรงไม่ได้ เนื่องจากครึ่งเซลล์ไม่ครบวงจร  แต่ถ้านำครึ่งเซลล์ 2 ครึ่งเซลล์มาต่อกันให้ครบวงจรไฟฟ้าก็จะได้ค่าศักย์ไฟฟ้าของเซลล์  ซึ่งก็ยังไม่สามารถทราบได้ว่าแต่ละครึ่งเซลล์มีค่าศักย์ไฟฟ้าเท่าใด   ดังนั้นในทางปฏิบัติ จึงหาค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ได้โดยการเปรียบเทียบ  กล่าวคือ ต้องกำหนดให้ครึ่งเซลล์ใดครึ่งเซลล์หนึ่งเป็นครึ่งเซลล์มาตรฐานซึ่งทราบค่าศักย์ไฟฟ้าแน่นอน แล้วจึงนำไปต่อกับครึ่งเซลล์อื่นที่ต้องการหาค่าศักย์ไฟฟ้า (รายละเอียดได้กล่าวไว้ในหัวข้อ การหาค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ แล้ว) 

          การใช้ครึ่งเซลล์มาตรฐานแตกต่างกัน  ก็จะทำให้ได้ค่าศักย์ไฟฟ้าที่แตกต่างกันไปด้วย   ดังนั้น เพื่อไม่ให้เกิดความสับสนนักเคมีจึงได้กำหนดให้ใช้เซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานเป็นสากลในการเปรียบเทียบ

          ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard Hydrogen Electrode)

               ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน (Standard Hydrogen Electrode , SHE)  เป็นครึ่งเซลล์มาตรฐานสากลที่ใช้เปรียบเทียบหาค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์ที่ต้องการ  ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าที่ทำด้วยแพลทินัมแบล็ก (Platinum back)  จุ่มในสารละลายกรด  HCl  เข้มข้น  1  โมล/ลิตร  มีก๊าซ  H₂  ผ่านลงในสารละลายตลอดเวลา  ก๊าซที่ใช้นี้มีความดัน  1  บรรยากาศ (atm)  และแพลทินัมแบล็กที่ใช้เป็นขั้วไฟฟ้าต้องทำให้มีพื้นที่ผิวมาก  มีรูพรุน  เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาได้รวดเร็วขึ้น  และรักษาสมดุลระหว่าง  H₂  และ  H⁺  ในสารละลายดังสมการ  (อุณหภูมิ  25 ⁰C)

        เนื่องจากครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานใช้เป็นสากลในการเปรียบเทียบ  จึงกำหนดค่า  ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ (E⁰ ) เท่ากับ  0.00  โวลต์  และเขียนแผนภาพของครึ่งเซลล์เป็น  Pt (s) / H₂ (1 atm)  / H⁺ ( 1 mol / dm³ )  ครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน อาจจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน หรือรีดักชัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับครึ่งเซลล์ที่นำมาต่อด้วยปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น และค่าศักย์ไฟฟ้าแสดงได้ดังนี้

        ก.  ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์

          เมื่อนำครึ่งเซลล์ที่ต้องการทราบค่าศักย์ไฟฟ้าของครึ่งเซลล์มาต่อเข้ากับครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐาน  ค่าศักย์ไฟฟ้าที่หาได้นั้น จะเรียกว่า ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์    (กำหนดสัญลักษณ์ คือ  E ⁰  )  ถ้าทดลองโดยใช้ครึ่งเซลล์ที่ประกอบด้วยสารละลายเข้มข้น  1  โมลต่อลิตร  และถ้ามีก๊าซเกี่ยวข้องด้วยต้องมีความดัน  1  บรรยากาศ (atm)  ที่อุณหภูมิ  25  องศาเซลเซียส 

        ข.  การหาค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ (E ⁰  )

        การหาค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ในทางปฏิบัติสามารถทำได้ดังนี้

1. นำครึ่งเซลล์ที่ต้องการหาค่า    E ⁰     นั้นมาต่อเป็นเซลล์กัลวานิกกับครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานให้ครบวงจรโดยมีโวลต์มิเตอร์ต่ออยู่ด้วย  แล้วอ่านค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์

2. สังเกตการณ์เบนของเข็มโวลต์มิเตอร์  ขั้วที่เข็มเบนออกจะเป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (ขั้วลบ)  ซึ่งเรียกว่าขั้วแอโนด  และขั้วที่เข็มเบนเข้าหา จะเป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน (ขั้วบวก) ซึ่งเรียกว่าขั้วแคโทด)       

3. กำหนดให้ค่าครึ่งเซลล์ไฮโดรเจนมาตรฐานมีค่า E ⁰    =  0.00  โวลต์

4. นำค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของเซลล์ที่อ่านได้ มาคำนวณหาศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์ได้จากสูตร

แหล่งที่มา

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