Download - 09เคมีไฟฟ้า
เคมี�ไฟฟ�า
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
ปฏิ�กิ�ริ�ยาริ�ดอกิ
กิริะบวนกิาริทางเคมี�ไฟฟ�า (electrochemical process) หมีาย
ถึ�งปฏิ�กิ�ริ�ยาเคมี�ท��ท�าให�เกิ�ดกิาริเปลี่��ยนแปลี่ง ริะหว!างพลี่#งงานไฟฟ�าแลี่ะพลี่#งงานเคมี� ซึ่��งมี�
2 ปริะเภท ค&อ• spontaneous process เป'นกิริะบวน
กิาริท��เกิ�ดขึ้�)นได�เอง แลี่ะ มี�กิาริปลี่ดปลี่!อยพลี่#งงานไฟฟ�าออกิมีาจากิปฏิ�กิ�ริ�ยา• -non spontaneous process เป'นกิริะบวนกิาริท��ไมี!สามีาริถึเกิ�ดขึ้�)นได�เองแลี่ะต้�องมี�กิาริให�พลี่#งงานไฟฟ�าเพ&�อท�าให�เกิ�ดปฏิ�กิ�ริ�ยา
เคมี�ไฟฟ�า
2Mg (s) + O2 (g) 2MgO (s)
ปฏิ�กิ�ริ�ยาเคมี�ท��ท�าให�มี�กิาริเปลี่��ยนแปลี่งพลี่#งงานไฟฟ�าแลี่ะเคมี�จะเกิ��ยวขึ้�องกิ#บกิาริถึ!ายเทอ�เลี่.กิต้ริอนขึ้อง
สาริเคมี�ท��เริ�ยกิว!า ปฏิ�กิ�ริ�ยาริ�ดอกิซึ่/ (redox reaction) โดยสาริท��ริ#บอ�เลี่.กิต้ริอนในปฏิ�กิ�ริ�ยาเริ�ยกิว!า ต้#วออกิซึ่�ไดซึ่/ (oxidizing agent) แลี่ะ
สาริให�อ�เลี่.กิต้ริอนเริ�ยกิว!า ต้#วริ�ด�วซึ่/ (reducing agent)
0 0 2+2-
oxidantreductant
เลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#นเพ��มีขึ้�)นเลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#นลี่ดลี่ง
2Mg 2Mg2+ + 4e-
O2 + 4e- 2O2-
Oxidation half-reaction (lose e-)
Reduction half-reaction (gain e-)
เลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#นปริะจ2สมีมี2ต้�บนอะต้อมีขึ้องธาต้2 ในสาริปริะกิอบหริ&อไอออน เมี&�อค�ดว!า
สาริปริะกิอบหริ&อไอออนน#)นเป'นไอออน�กิ ค&อ มี�กิาริถึ!ายเทอ�เลี่.กิต้ริอนริะหว!างธาต้2อย!างสมีบ4ริณ์/1. ธาต้2อ�สริะมี�เลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#นเป'น ศู4นย/
Na, Be, K, Pb, H2, O2, P4 = 0
2. ไอออนขึ้องธาต้2อะต้อมีเด�ยวมี�เลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#นเท!ากิ#บปริะจ2
Li+, Li = +1; Fe3+, Fe = +3; O2-, O = -2
3. โลี่หะหมี4! IA มี�เลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#นเป'น +1, โลี่หะหมี4! IIA มี�เลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#นเป'น +2
แลี่ะฟลี่4ออริ�นเป'น –1 เสมีอ
5. ไฮโดริเจนมี�เลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#นเป'น +1 ยกิเว�น เมี&�อเป'นสาริปริะกิอบไฮไดริด/ขึ้องโลี่หะซึ่��งมี�
เลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#นเป'น –1.6. ผลี่ริวมีขึ้องเลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#นขึ้องธาต้2ท2กิ ต้#วในโมีเลี่กิ2ลี่เป'นศู4นย/ หริ&อ เท!ากิ#บปริะจ2
ขึ้องไอออน HCO3-
O = -2H = +13x(-2) + 1 + ? = -1
C = +4
เลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#น ขึ้อง C ใน HCO3
- เป'นเท!าไริ?
4. โดยปกิต้�ออกิซึ่�เจนอะต้อมีมี�เลี่ขึ้ออกิซึ่�เดชั#น เป'น –2 แต้!ออกิซึ่�เจนใน H2O2 แลี่ะ O2
2- เป'น –1
1. เขึ้�ยนปฏิ�กิ�ริ�ยาท��ย#งไมี!ด2ลี่
ด2ลี่ปฏิ�กิ�ริ�ยาออกิซึ่�เดชั#นขึ้อง Fe2+ เป'น Fe3+ โดย Cr2O7
2- ในสาริลี่ะลี่ายกิริด
Fe2+ + Cr2O72- Fe3+ + Cr3+
2. แยกิเขึ้�ยนคริ��งปฏิ�กิ�ริ�ยาOxidation:
Cr2O72- Cr3+
+6 +3Reduction:
Fe2+ Fe3++2 +3
3. ด2ลี่อะต้อมีขึ้องธาต้2ท��ไมี!ใชั! O แลี่ะ H ในแต้!ลี่ะคริ��งปฏิ�กิ�ริ�ยาCr2O7
2- 2Cr3+
กิาริด2ลี่ปฏิ�กิ�ริ�ยาริ�ดอกิซึ่/
4. ในกิริดเต้�มี H2O แลี่ะ H+ เพ&�อด2ลี่ O แลี่ะ H อะต้อมีต้ามีลี่�าด#บ
14H+ + Cr2O72- 2Cr3+ + 7H2O
5. เต้�มี e- เพ&�อด2ลี่ปริะจ2Fe2+ Fe3+ + 1e-
6e- + 14H+ + Cr2O72- 2Cr3+ + 7H2O
6. ด2ลี่จ�านวนขึ้องอ�เลี่.กิต้ริอนท��ให�แลี่ะริ#บ ให�เท!ากิ#น 6Fe2+ 6Fe3+ + 6e-
6e- + 14H+ + Cr2O72- 2Cr3+ + 7H2O
กิาริด2ลี่ปฏิ�กิ�ริ�ยาริ�ดอกิซึ่/
7. ริวมีคริ��งปฏิ�กิ�ริ�ยาท#)งสองเขึ้�าด�วยกิ#น โดย จ�านวน e- ต้�องห#กิลี่�างกิ#นหมีดพอด�
6e- + 14H+ + Cr2O72- 2Cr3+ + 7H2O
6Fe2+ 6Fe3+ + 6e-Oxidation:Reduction:
14H+ + Cr2O72- + 6Fe2+ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O
8. ต้ริวจสอบจ�านวนอะต้อมีแลี่ะปริะจ2ท#)งสองขึ้�างต้�องด2ลี่H: 14 = 7 x 2
Cr: 2 = 2O: 7 = 7
Fe: 6 = 6
Charge: 14x1 – 2 + 6x2 = 24 = 6x3 + 2x3
กิาริด2ลี่ปฏิ�กิ�ริ�ยาริ�ดอกิซึ่/
9. ส�าหริ#บปฏิ�กิ�ริ�ยาในเบสให�เต้�มี OH- ในท#)งสอง ขึ้�างขึ้องปฏิ�กิ�ริ�ยา ให�เท!ากิ#บจ�านวน H+ ท��มี�อย4!
14OH- + 14H+ + Cr2O72- + 6Fe2+ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O + 14 OH-
14H2O + Cr2O72- + 6Fe2+
6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O + 14 OH-
7H2O + Cr2O72- + 6Fe2+
6Fe3+ + 2Cr3+ + 14 OH-H: 7 2x = 14
Cr: 2 = 2O: 777 = 14
Fe: 6 = 6
Charge: – 2 + 6 x 2 = 10 = 6x3 + 2x3 - 14
กิาริด2ลี่ปฏิ�กิ�ริ�ยาริ�ดอกิซึ่/
กิาริด2ลี่สมีกิาริริ�ดอกิซึ่/
4.8
-1 6 3+3CH3
CH2
OH + Cr2
O7
-2CH3
COOH + Cr33+
-3
4
32 4
3CH3
772
O7 + 22
O7
- 2 7 16H+3CH
3COO7 4+ Cr 3+ 7
11H2
O
3CH3
772
O7 2+ Cr2
O7
- 2 7 5H2
O3CH3
COO7 4+ Cr 3+ 7 16OH-
ปริะจ2: - 4 16 12+ = + 12+
H: 3 6 16 34x + = 3 4 11 2 34x + x =
O: 3 2 7 17+ x = 3 2 11 17x + =
ปริะจ2: - 4 - 12+ -16 4=
H: 3 6 5 2 28x + x = 3 4 16 28x + =
O: 3 2 7 5 22+ x + = 3 2 16 22x + =
Balance the following equations:
(a) H2O2 + Fe2+ Fe3+ + H2O (in acidic solution)
Oxidation: Fe2+ Fe3+
Reduction: H2O2 H2O
Balancing the second equation for O and H gives:2H+ + H2O2 2H2O
Balancing both equations for charge with electrons:Fe2+ Fe3+ + e-
2H+ + H2O2 + 2e- 2H2O
Multiply the first half-reaction by 2 to equalize charge. Conbine both equations to give:
2 Fe3+ + 2H+ + H2O2 2Fe3+ + 2H2O
Balancing both equations for O and H gives:CN- + H2O CNO- + 2H+
MnO4- + 4H+ MnO2 + 2H2O
Balancing both equations for chargesCN- + H2O CNO- + 2H+ + 2e-
MnO4- + 4H+ + 3e- MnO2 + 2H2O
2MnO4- + 3CN- + H2O 2MnO2 + 3CNO- + 2OH-
We obtain: 3CN- + 3H2O 3CNO- + 6H+
2MnO4- + 8H+ 2MnO2 + 4H2O
2MnO4- + 3CN- + 2H+ 2MnO2 + 3CNO- + H2O
(b) CN- + MnO4- CNO- + MnO2 (in basic solution)
Oxidation: CN- CNO-
Reduction: MnO4- MnO2
4.4
spontaneousredox reaction
anodeoxidation
cathodereduction
เซึ่ลี่ลี่/ไฟฟ�าเคมี�
ความีต้!างศู#กิย/ริะหว!างแอโนดแลี่ะแคโทดเริ�ยกิว!า• cell voltage• electromotive force (emf)• cell potential
แผนภาพเซึ่ลี่ลี่/
Zn (s) + Cu2+ (aq) Cu (s) + Zn2+ (aq)[Cu2+] = 1 M & [Zn2+] = 1 M
Zn (s) | Zn2+ (1 M) || Cu2+ (1 M) | Cu (s)anode cathode
เซึ่ลี่ลี่/ไฟฟ�าเคมี�
Zn (s) | Zn2+ (1 M) || H+ (1 M) | H2 (1 atm) | Pt (s)
2e- + 2H+ (1 M) H2 (1 atm)Zn (s) Zn2+ (1 M) + 2e-Anode (oxidation):
Cathode (reduction):
Zn (s) + 2H+ (1 M) Zn2+ + H2 (1 atm)
ความีต้!างศู#กิย/ขึ้องเซึ่ลี่ลี่/ไฟฟ�าเคมี�
Standard reduction potential (E0) เป'นศู#กิย/ไฟฟ�าท��เกิ�ดขึ้�)นจากิปฏิ�กิ�ริ�ยา
ริ�ด#กิชั#นท��ขึ้#)วอ�เลี่.กิโทริด ณ์ ความีเขึ้�มีขึ้�นสาริ เป'น 1 M แลี่ะความีด#นแกิ:สเป'น 1 atm
E 0 = 0 V
Standard Hydrogen Electrode (SHE)
2e- + 2H+ (1 M) H2 (1 atm)
ปฏิ�กิ�ริ�ยาริ�ด#กิชั#นขึ้องโปริต้อน
ศู#กิย/ไฟฟ�ามีาต้ริฐาน
E 0 = 0.76 Vcell
Standard emf (E0 )
cell
0.76 V = 0 - Ezn /Zn 02+
EZn /Zn = -0.76 V02+Zn2+ (1 M) + 2e- Zn E0 = -0.76 V
E0 = EH /H - EZn /Zn cell 0 0+ 2+ 2
E 0 = Ecathode - Eanodecell 0 0
Zn (s) | Zn2+ (1 M) || H+ (1 M) | H2 (1 atm) | Pt (s)
ศู#กิย/ไฟฟ�ามีาต้ริฐาน
Pt (s) | H2 (1 atm) | H+ (1 M) || Cu2+ (1 M) | Cu (s)
2e- + Cu2+ (1 M) Cu (s)
H2 (1 atm) 2H+ (1 M) + 2e-Anode (oxidation):
Cathode (reduction):
H2 (1 atm) + Cu2+ (1 M) Cu (s) + 2H+ (1 M)
E0 = Ecathode - Eanodecell0 0
E0 = 0.34 Vcell
Ecell = ECu /Cu – EH /H 2+ +2
0 0 0
0.34 = ECu /Cu - 00 2+
ECu /Cu = 0.34 V2+0
ศู#กิย/ไฟฟ�ามีาต้ริฐาน
• E0 เป'นค!าเฉพาะปฏิ�กิ�ริ�ยาต้ามีท��เขึ้�ยน
• ค!า E0 เป'นบวกิมีากิแสดงว!าปฏิ�กิ�ริ�ยาริ�ด#กิชั#นน#)นเกิ�ดได�ง!าย
• คริ��งปฏิ�กิ�ริ�ยาเหลี่!าน�)ผ#นกิลี่#บได�
• ส�าหริ#บปฏิ�กิ�ริ�ยาย�อน กิลี่#บ ให� กิลี่#บ
เคริ&�องหมีายหน�าค!า E0
• เมี&�อค4ณ์ส#มีปริะส�ทธ�=ใน ปฏิ�กิ�ริ�ยาด�วยต้#วเลี่ขึ้ใดๆ
ค!า E0 ไมี!เปลี่��ยน
ศู#กิย/ไฟฟ�ามีาต้ริฐาน
เซึ่ลี่ลี่/ไฟฟ�าเคมี�ท��ปริะกิอบด�วย Cd electrode ในสาริลี่ะลี่าย 1.0 M Cd(NO3)2 แลี่ะ Cr
electrode ในสาริลี่ะลี่าย 1.0 M Cr(NO3)3
มี�ค!าศู#กิย/ไฟฟ�ามีาต้ริฐานเป'นเท!าไริ?Cd2+ (aq) + 2e- Cd (s) E0 = -0.40 VCr3+ (aq) + 3e- Cr (s) E0 = -0.74 V
Cd is the stronger oxidizerCd will
oxidize Cr2e- + Cd2+ (1 M) Cd (s)Cr (s) Cr3+ (1 M) + 3e-Anode (oxidation):
Cathode (reduction):
2Cr (s) + 3Cd2+ (1 M) 3Cd (s) + 2Cr3+ (1 M)
x 2x 3
E0 = Ecathode - Eanodecell 0 0
E0 = -0.40 – (-0.74) cellE0 = 0.34 V cell
G = -nFEcell
G0 = -nFEcell0
n = จ�านวนโมีลี่ขึ้องอ�เลี่.กิต้ริอนท��เกิ��ยวขึ้�องในปฏิ�กิ�ริ�ยา
F = 96,500JV • mol = 96,500 C/mol
G0 = -RT ln K= -nFEcell0
Ecell0 =RT
nFln K(8.314 J/K•mol)(298 K)n (96,500 J/V•mol)ln K=
=0.0257 Vn ln KEcell
0
=0.0592 Vn log KEcell
0
กิาริเกิ�ดขึ้�)นได�เองขึ้องปฏิ�กิ�ริ�ยาริ�ดอกิซึ่/
ความีส#มีพ#นธ/ริะหว!าง G°, E° แลี่ะ K ท��สภาวะ
มีาต้ริฐาน
2e- + Fe2+ Fe2Ag 2Ag+ + 2e-Oxidation:
Reduction:
หาค!าคงท��สมีด2ลี่ขึ้องปฏิ�กิ�ริ�ยาต้!อไปน�)ท�� 25 0CFe2+ (aq) + 2Ag (s) Fe (s) + 2Ag+ (aq)=0.0257 V
n ln KEcell0
E0 = -0.44 – (0.80) E0 = -1.24 V
0.0257 Vx nE0 cellexpK =
n = 2
0.0257 Vx 2-1.24 V = exp
K = 1.23 x 10-42
E0 = EFe /Fe – EAg /Ag0 0
2+ +
G = G0 + RT ln QG = -nFEG0 = -nFE0
-nFE = -nFE0 + RT ln Q
E = E0 - ln QRTnF
Nernst equation
ท��อ2ณ์หภ4มี�298-0.0257 V
n ln QE0E = -0.0592 Vn log QE0E =
ผลี่ขึ้องความีเขึ้�มีขึ้�นต้!อค!าความีต้!างศู#กิย/ขึ้องเซึ่ลี่ลี่/ไฟฟ�า
ปฏิ�กิ�ริ�ยาต้!อไปน�)เกิ�ดขึ้�)นเองได�หริ&อไมี!ท�� อ2ณ์หภ4มี� 25 0C เมี&�อ [Fe2+] = 0.60 M
แลี่ะ [Cd2+] = 0.010 M? Fe2+ (aq) + Cd (s) Fe (s) + Cd2+ (aq)2e- + Fe2+ 2Fe
Cd Cd2+ + 2e-Oxidation:Reduction: n = 2
E0 = -0.44 – (-0.40) E0 = -0.04 V
E0 = EFe /Fe – ECd /Cd0 02+ 2+
-0.0257 Vn ln QE0E =
-0.0257 V2 ln -0.04 VE = 0.010
0.60E = 0.013
E > 0Spontaneous
Leclanché cell
Dry cell
Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e-Anode:
Cathode:2NH4 (aq) + 2MnO2 (s) + 2e- Mn2O3 (s) + 2NH3 (aq) + H2O (l)+
Zn (s) + 2NH+4 (aq) + 2MnO2 (s)
Zn2+ (aq) + 2NH3 (aq) + H2O (l) + Mn2O3 (s)
แบทเทอริ��
Zn(Hg) + 2OH- (aq) ZnO (s) + H2O (l) + 2e-Anode:
Cathode: HgO (s) + H2O (l) + 2e- Hg (l) + 2OH- (aq)
Zn(Hg) + HgO (s) ZnO (s) + Hg (l)
Mercury Battery
แบทเทอริ��
Anode:
Cathode:
Lead storagebattery
PbO2 (s) + 4H+ (aq) + SO2- (aq) + 2e- PbSO4 (s) + 2H2O (l)4
Pb (s) + SO2- (aq) PbSO4 (s) + 2e-4
Pb (s) + PbO2 (s) + 4H+ (aq) + 2SO2- (aq) 2PbSO4 (s) + 2H2O (l)4
แบทเทอริ��
Solid State Lithium Battery
แบทเทอริ��
fuel cell เป'น เซึ่ลี่ลี่/ไฟฟ�าเคมี� ขึ้อง
ปฏิ�กิ�ริ�ยากิาริเผาไหมี�ซึ่��งมี�กิาริเต้�มีริ�เอเจนต้/ต้ลี่อดเวลี่าเพ&�อให�เซึ่ลี่ลี่/ท�างาน
Anode:
Cathode: O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- 4OH- (aq)
2H2 (g) + 4OH- (aq) 4H2O (l) + 4e-
2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l)
แบทเทอริ��
กิาริผ2กิริ!อน
กิาริป�องกิ#นกิาริผ2กิริ!อนขึ้องถึ#ง เหลี่.กิโดยใชั�ขึ้#)ว Mg
Electrolysis เป'นกิริะบวนกิาริทางเคมี�ท��ใชั�พลี่#งงานไฟฟ�าเพ&�อท�าให�เกิ�ดปฏิ�กิ�ริ�ยาเคมี�ท��ไมี!สามีาริถึเกิ�ดขึ้�)นได�เอง
อ�เลี่กิโทริไลี่ซึ่�สขึ้องน�)า
charge (C) = current (A) x time (s)
1 mole e- = 96,500 C
ปริ�มีาณ์สาริส#มีพ#นธ/ในปฏิ�กิ�ริ�ยาอ�เลี่.กิโทริไลี่ซึ่�ส
เมี&�อผ!านกิริะแสไฟฟ�า 0.452 A เป'นเวลี่า1.5 ชั#�วโมีง ลี่งในปฏิ�กิ�ริ�ยาอ�เลี่.กิโทริไลี่ซึ่�ส
ขึ้อง CaCl2 จะท�า ให�เกิ�ด Ca กิ��กิริ#มี?Anode: Cathode:Ca2+ (l) + 2e- Ca (s)
2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-
Ca2+ (l) + 2Cl- (l) Ca (s) + Cl2 (g)2 mole e- = 1 mole Ca
mol Ca = 0.452Csx 1.5 hr x 3600s
hr96,500 C1 mol e-x 2 mol e-
1 mol Cax
= 0.0126 mol Ca
= 0.50 g Ca