analchem_basic electrochemistry
TRANSCRIPT
Faculty of Science and Technology Rajamangala University of Technology Phra Nakhon
Dr.Woravith Chansuvarn
02-412-105 Analytical Chemistry
These subjects will be presented according to the curriculum of Analytical Chemistry (02-412-105) Faculty of Science and Technology, RMUTP
Basic of Electrochemistryไฟฟ้าเคมีเบือ้งต้น
iamworavith Lasted update: March 2015
ปฏกิริิยารีดอกซ์ (redox reaction)
ปฏิกิริยาที่มีการถ่ายโอนอิเลก็ตรอนระหวา่งสารที่ท าปฏิกิริยาโดยมีการให้และรับอิเลก็ตรอน หรือเป็นปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงเลขออกซิเดชนั”
สารที่ท าหน้าท่ีเป็นตวัให้อิเลก็ตรอน เรียกวา่ ตวัรีดิวซ (reducing agent) สารที่ท าหน้าที่รับอิเลก็ตรอนเรียกวา่ ตวัออกซิไดส (oxidizing agent)
แบง่ปฏิกิริยารีดอกซ เป็นสองปฏิกิริยาย่อยเรียกวา่คร่ึงปฏิกิริยา(Half reaction) คือ ปฏิกิริยาออกซิเดชนัและปฏิกิริยารีดกัชนั
2
ปฏิกิริยาออกซิเดชนั (oxidation reaction) คือปฏิกิริยาที่มีการให้อิเลก็ตรอน หรือมีคา่เลขออกซิเดชนัเพิ่มขึน้
ตวัรีดิวซ ผลิตภณัฑ + อิเลก็ตรอนZn(s) Zn2+(aq) + 2e-
3
ปฏิกิริยารีดกัชนั (reduction reaction) คือปฏิกิริยาที่มีการรับอิเลก็ตรอน หรือมีคา่เลขออกซิเดชนัลดลง
ตวัออกซิไดซ + อิเลก็ตรอน ผลิตภณัฑ Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)
ตวัรีดิวซ คือสารที่ท าหน้าที่เป็นตวัให้อิเลก็ตรอนแก่สารอื่นแล้วท าให้ตวัเองมีคา่เลขออกซิเดชนัเพ่ิมขึน้
ตวัออกซิไดซ คือสารท่ีท าหน้าท่ีเป็นตวัรับอิเลก็ตรอนจากสารอื่นแล้วท าให้ตวัเองมีคา่เลขออกซิเดชนัลดลง
4
การดุลสมการรีดอกซ์การดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้คร่ึงปฏกิิริยา
8
1. เขียนสมการท่ียงัไมด่ลุของปฏิกิริยาในรูปไอออนิก2. แยกสมการออกเป็น 2 คร่ึงปฏิกิริยา3. ดลุจ านวนอะตอมอ่ืนๆ นอกจาก H, O ในแตล่ะคร่ึงปฏิกิริยา4. ดลุจ านวนอะตอมของ H, O 5. ดลุประจใุห้เท่ากนั โดยคณูด้วยจ านวน e- ของคร่ึงปฏิกิริยาด้านตรงข้าม
6. ท าจ านวน e- ของคร่ึงปฏิกิริยาทัง้สองให้เท่ากนั7. รวมคร่ึงปฏิกิริยาทัง้สอง สมการรวมต้องไมมี่ e-
8. ถ้าปฏิกิริยาเกิดในสารละลายเบส เตมิ OH- ทัง้ 2 ข้าง เพ่ือสะเทิน H+
9. ตรวจสอบว่าจ านวนอะตอมและประจทุัง้สองข้างของสมการเท่ากนั
ในสารละลายกรด
ข้างที่ขาด O (มีอะตอมของO น้อยกวา่) ให้เติม H2Oให้เติมจ านวนโมลของ H2O เทา่กบัจ านวนอะตอมของ O ที่ขาด ข้างใดขาด H (มีอะตอมของ H น้อยกวา่) ให้เติม H+จ านวนโมลของ H+ เทา่กบัจ านวนอะตอมของ H ที่ขาด
ในสารละลายเบส
เติม 2 เทา่ของ OH- ในด้านที่ขาด O เติม H2O ด้านที่ขาด H ให้จ านวนโมเลกลุของ H2O เทา่กบัจ านวนอะตอมของ H ที่ขาดดลุปะจโุดยเติม e ด้านที่ขาดประจลุบ
9
ตัวอย่างจงดลุสมการปฏิกิริยาออกซิเดชนัของ Fe2+ ไปเป็น Fe3+ โดยไดโครเมตไอออน (Cr2O7
2-) ในสารละลายกรด
10
Fe2+ + Cr2O72- Fe3+ + Cr3+
ขัน้ที่ 1 เขียนสมการท่ียงัไมด่ลุของปฏิกิริยาในรูปไอออนิก
ขัน้ที่ 2 ค านวณคา่ออกซเิดชนั แยกสมการออกเป็น 2 คร่ึงปฏิกิริยา (oxidation และ reduction)
ขัน้ที่ 3 ดลุจ านวนอะตอมของธาต ุ(นอกจาก H, O)
ox : Fe2+ Fe3+
re : Cr2O72- Cr3+
ox : Fe2+ Fe3+
re : Cr2O72- 2Cr3+
ขัน้ที่ 4 ดลุจ านวนอะตอมของ H, O โดยเติม H2O เพื่อดลุ O และ เตมิ H+
เพื่อดลุอะตอมของ H
ขัน้ที่ 5 ดลุประจโุดยเติม e-
ขัน้ที่ 6 ท าจ านวน e- ของทัง้สองคร่ึงปฏิกิริยาให้เท่ากนั
11
ox : Fe2+ Fe3+
re : Cr2O72- + 14H+ 2Cr3+ + 7H2O
ox : Fe2+ Fe3+ + e-
re : Cr2O72- + 14H+ + 6e- 2Cr3+ + 7H2O
ox : 6Fe2+ 6Fe3+ + 6e-
re : Cr2O72- + 14H+ + 6e- 2Cr3+ + 7H2O
ขัน้ที่ 7 รวมคร่ึงปฏิกิริยาทัง้สอง (ตดัจ านวน e ท่ีเหมือนกนัออก)
12
ox : 6Fe2+ 6Fe3+ + 6e-
re : Cr2O72- + 14H+ + 6e- 2Cr3+ + 7H2O
6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
ขัน้ที่ 8 ตรวจสอบว่าจ านวนอะตอมและประจทุัง้สองข้างของสมการให้เท่ากนั
(+12) + (-2) + (+14) = +24 (+18) + (+6) + (0) = +24
การดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้เลขออกซเิดชัน
13
1. เขียนสมการท่ียงัไมด่ลุของปฏิกิริยาในรูปไอออนิก2. พิจารณาเลขออกซเิดชนั3. ปรับคา่สมัประสทิธ์ิของตวัออกซไิดซ และตวัรีดวิซ ให่เท่ากนัโดย
1) น าคา่ออกซเิดชนัท่ีเปลี่ยนแปลงไปของตวัออกซไิดซ ไปไว้ข้างหน้าตวัรีดิวซ
2) น าคา่ออกซิเดชนัท่ีเปลี่ยนแปลงไปของตวัรีดิวซ ไปไว้ข้างหน้าตวัออกซไิดซ 4. ดลุสมการรวมให้มีคา่อยา่งต ่า5. สมการท่ีมี H2O ไม่จ าเป็นต้องค านงึถึงคา่ออกซเิดชนัของ O และ H
ตัวอย่าง
14
MnO4- + I- + H2O MnO + IO3
- + OH--3
+6
ตวัออกซไิดซ คือ MnO4- เพราะคา่ออกซเิดชนัลดลง 3
ตวัรีดิวซ คือ I- เพราะคา่ออกซเิดชนัเพิ่มขึน้ 6 เติม 6 ข้างหน้าตวัออกซไิดซ เติม 3 ข้างหน้าตวัรีดิวซ
6MnO4- + 3I- + H2O MnO + IO3
- + OH-
6MnO4- + 3I- + 3H2O 6MnO + 3IO3
- + 6OH-
2MnO4- + I- + H2O 3MnO + IO3
- + 2OH-
กจิกรรมจงดลุสมการรีดอกซ ตอ่ไปนี ้
1. Cr + Cu2+ Cr3+ + Cu2. Cu + NO3
- Cu2+ + NO3. CO + I2O5 CO2 + I24. C + H2SO4 CO2 + SO25. Fe2O3 + C Fe + CO2
15
เซลล์ไฟฟ้าเคมี
เซลล ไฟฟา้ ที่ประกอบด้วย ตวัออกซิไดซ และตวัรีดิวซ เช่ือมด้วยสะพานเกลือ (salt bridge)
ขัว้ท่ีจุ่มในสารท่ีเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชนั เรียกวา่ ขัว้แอโนด (anode)
ขัว้ที่จุ่มในสารที่เกิดปฏิกิริยารีดกัชนั เรียกวา่ ขัว้แคโทด (cathode)
16
Red Cat / An OxReduction Cathode / Anode Oxidation
เซลล์กัลวานิก
เซลล ไฟฟา้ที่สามารถเกิดปฏิกิริยารีดอกซ เปลี่ยนพลงังานเคมีเป็นพลงังานไฟฟา้ได้เอง เมื่อครบวงจร
17
Ox : Zn (s) Zn2+(aq) + 2e-
Re : Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)Zn (s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)
http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/electrochemistry/web/electrochem05.htm
cathode anode
การเขียนแผนภาพของเซลล์
เขียนคร่ึงเซลล ท่ีเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชนัไว้ทางซ้ายมือ โดยเขียนขัว้ไฟฟ้าไว้ทางซ้ายสดุ ตามด้วยไอออนในสารละลาย และใช้เส้นขีดคัน่ระหวา่งขัว้ไฟฟ้ากบัไอออนในสารละลาย เช่น Zn(s)/Zn2+(aq)
เขียนคร่ึงเซลล เซลล ท่ีเกิดปฏิกิริยารีดกัชนัไว้ทางขวามือ โดยเขียนไอออนในสารละลายก่อน ตามด้วยขัว้ไฟฟ้าไว้ทางขวาสดุ และใช้เส้นขีดคัน่ระหวา่งขัว้ไฟฟ้ากบัไอออนในสารละลาย เช่นCu2+(aq)/Cu(s)
ส าหรับคร่ึงเซลล ท่ีประกอบด้วยโลหะกบัแก๊ส ใช้เส้นขีดคัน่ระหวา่งขัว้ไฟฟ้ากบัแก๊สและระหวา่งไอออนในสารละลาย เช่น Pt(s)/H2(g,1 atm)/H+(aq)
เขียนเส้นคูข่นาน // แทนสะพานไอออนกัน้ระหวา่งคร่ึงเซลล ทัง้สอง เช่นZn(s)/Zn2+(aq)// Cu2+(aq)/Cu(s)Pt(s)/H2(g,1 atm)/H+(1 mol/dm3)// Cu2+(1 mol/dm3)/Cu(s)
ส าหรับคร่ึงเซลล ท่ีมีสารสถานะเดียวกนัมากกว่าหนึง่ชนิด ให้ใช้เคร่ืองหมายจลุภาคคัน่ระหวา่งไอออนทัง้สอง เช่น
Fe(s)/Fe2+(aq),Fe3+(aq)// Cu2+(aq)/Cu(s)18
การเขียนแผนภาพของเซลล แบบยอ่ให้เขียนขัว้ที่เกิดออกซิเดชนัไว้ซ้ายมือ ขัว้ที่เกิดรีดกัชนั อยูท่างขวามือ
19
ศักย์ขัว้ไฟฟ้า
เซลล ไฟฟา้เคมี ประกอบด้วยขัว้ 2 ขัว้ คือ แอโนด และ แคโทด กระแสจะเกิดขึน้ได้ ตอ่เม่ือ ขัว้ทัง้สองมีศกัย ไฟฟ้าตา่งกนั ประเภทขัว้ไฟฟา้
1) ขัว้โลหะที่น าไฟฟ้า – ต้องจุ่มในสารละลายที่มีไอออนของโลหะนัน้อยู ่ เช่น ขัว้โลหะตะกัว่ (Pb)
Pb0(s) I Pb2+
ปฏิกิริยาท่ีเกิดขึน้ที่ขัว้ re : Pb2+ + 2e- Pb0(s)ox : Pb0(s) Pb2+ + 2e-
2) โลหะเฉ่ือย – ต้องจุ่มในสารละลายของคูไ่อออนท่ีเกิดปฏิกิริยารีดอกซ เช่น Pt
Pt0 I Fe3+, Fe2+
20
21
Zn(s)IZn2+(aq, 1.0 M) II Cu2+(aq, 1.0 M)ICu(s)
จากเซลล ไฟฟา้ Zn-Cu เม่ือความเข้มข้นของไอออนของสารละลายในแตล่ะคร่ึงเซลล เทา่กบั 1.0 M ท่ี 25 ๐C เซลล ไฟฟา้นีจ้ะมี emfเทา่กบั 1.10 V ถ้าทราบศกัย ไฟฟา้ของขัว้ใดขัว้หนึง่แล้ว น าไปลบออกจาก 1.10 V จะท าให้ทราบคา่ของอีกขัว้หนึง่
ในทางปฏิบตัิไมส่ามารถวดัศกัย ไฟฟา้ของขัว้เด่ียวๆ ได้ จึงได้มีการก าหนดขัว้มาตรฐานคือ ขัว้มาตรฐานไฮโดรเจน (standard hydrogen electrode: SHE)
คา่ emf (Electro motive force) ขึน้อยูก่บั1. ชนิดของปฏิกิริยารีดอกซ 2. เป็นผลรวมของศกัย ไฟฟา้ของขัว้ทัง้ 2 (Zn, Cu)
ขัว้มาตรฐานไฮโดรเจน
คร่ึงเซลล ไฮโดรเจนมาตรฐาน ประกอบด้วย ขัว้โลหะเฉ่ือย : Pt สารละลาย HCl (1.0 M) แก๊สไฮโดรเจน (H2)
โดยผ่าน H2 ในสารละลาย HCl ภายใต้สภาวะมาตรฐาน (ความดนั 1 atm อณุหภมูิ 25C) คา่ศกัย ไฟฟา้ของคร่ึงเซลล ไฮโดรเจนมาตรฐาน เท่ากบั 0.00 V เรียกวา่ ขัว้มาตรฐานไฮโดรเจน (SHE)
ใช้สญัลกัษณ E แทนศกัย ขัว้ไฟฟา้มาตรฐาน
22
2H+(aq, 1M) + 2e- H2(g, 1 atm) Eo = 0.0 V
Eo > 0.0 V (เป็นบวก) แสดงวา่เป็นตวัออกซิไดซ ท่ีแรงกวา่ H+
Eo < 0.0 V (เป็นลบ) แสดงวา่เป็นตวัออกซิไดซ ท่ีเลวกว่า H+
ศักย์ไฟฟ้าของขัว้ Zn
23
ขัว้ Zn เป็นขัว้ แคโทด ตอ่กบัขัว้ไฮโดรเจนมาตรฐาน เป็นขัว้แอโนด
แผนภาพเซลล : H+(aq, 1 M)/H2(g, 1 atm)/Pt(s)//Zn(s)/Zn2+(aq, 1 M)
แอโนด: 2H++ 2e- H2 E= 0.0 Vแคโทด : Zn (s) Zn2++ 2e- E= ?
Zn(s) + 2H+(aq) Zn2+(aq) + H2(g)ศกัย ไฟฟา้วดัจาก voltmeter (Eo
cell) เท่ากบั -0.76 VEo
cell = Eocat - Eo
an-0.76 = Eo
Zn - EoSHE
EoZn = - 0.76 – 0.0 = -0.76 ดงันัน้ ศกัย ไฟฟา้ของขัว้ Zn = -0.76 V
ศักย์ไฟฟ้าของขัว้ Cu
24
ขัว้ Cu เป็นขัว้ แคโทด ตอ่กบัขัว้ไฮโดรเจนมาตรฐาน เป็นขัว้แอโนด
แผนภาพเซลล : H+(aq, 1 M)/H2(g, 1 atm)/Pt(s)//Cu(s)/Cu2+(aq, 1 M)
แอโนด: 2H++ 2e- H2 E= 0.0 Vแคโทด : Cu (s) Cu2++ 2e- E= ?
Cu(s) + 2H+(aq) Cu2+(aq) + H2(g)ศกัย ไฟฟา้วดัจาก voltmeter (Eo
cell) เท่ากบั 0.34 VEo
cell = Eocat - Eo
an0.34 = Eo
Cu - EoSHE
EoCu = 0.34 – 0 = 0.34 ดงันัน้ ศกัย ไฟฟา้ของขัว้ Cu = 0.34 V
คา่ E๐ เป็นคา่ศกัย ไฟฟา้มาตรฐานของปฏิกิริยารีดกัชนั เมื่อกลบัทิศทางของปฏิกิริยาเป็นปฏิกิริยาออกซเิดชนั คา่ E๐ จะมีเคร่ืองหมายตรงข้าม
คา่ E๐ เป็นบวกมาก แสดงวา่ตวัออกซิไดซ (ด้านซ้ายของสมการ) จะเป็นตวัออกซิไดซ ที่แรง สว่นตวัรีดิวซ (ด้านขวาของสมการ) จะเป็นตวัรีดิวซ ที่ออ่น
ปฏิกิริยารีดอกซ ที่เกิดขึน้ได้เอง จะต้องมีคา่ E๐ ของเซลล เป็นบวกเสมอ
26