ใบความรู้ เรื่อง ประโยชน์ของเซลล์กัลวานิก

1. ความหมายและการจำแนกประเภทของเซลล์กัลวานิกในเชิงพาณิชย์

เซลล์กัลวานิกในเชิงพาณิชย์ คือ เซลล์กัลวานิกที่ผลิตขึ้นมาเพื่อทำการค้าขายในเชิงพาณิชย์ จำแนกออกเป็น 2 ประเภทดังนี้

1. เซลล์ปฐมภูมิ (Primary cell)

คือ เซลล์ไฟฟ้าที่เมื่อสร้างเสร็จแล้วนำไปใช้เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าออกได้ทันที เมื่อใช้ไปแล้วส่วนประกอบบางส่วนจะหมดเปลืองไปโดยไม่กลับคงคืนเป็นสภาพเดิมได้อีก หรือไม่สามารถนำกลับไปอัดไฟและนำกลับมาใช้ได้อีก เช่น เซลล์ดาเนียล เซลล์แห้ง เป็นต้น

2. เซลล์ทุติยภูมิ (Secondary cell หรือ Reversible cell)

คือ เซลล์ไฟฟ้าที่เมื่อสร้างเสร็จแล้วต้องนำไปอัดไฟก่อนแล้วจึงจะนำไปใช้เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าออกได้ เมื่อใช้ไปแล้วส่วนประกอบบางส่วนจะหมดเปลือง และแปรสภาพไป แต่ทำให้กลับสู่สภาพเดิมได้โดยนำนำเซลล์ไฟฟ้าอัดไฟใหม่ เช่น เซลล์สะสม ไฟฟ้าแบบตะกั่ว เซลล์นิกเกิล - แคดเมียม เป็นต้น

ตารางที่ 1 เซลล์กัลวานิกในเชิงพาณิชย์บางชนิด

ชนิดของเซลล์	แอโนด (ออกซิเดชัน)	แคโทด (รีดักชัน)	สารอิเล็กโทรไลต์	ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ต่อ 1 ซลล์
เซลล์ถ่านไฟฉาย เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบเอดิสัน เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม เซลล์เงิน เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เซลล์ปรอท เซลล์แอลคาไล แบตเตอรีลิเทียม	Zn Fe Cd Cd Pd Zn (Hg) Zn (Hg) Li	MnO₂ NiO₂ NiO₂ Ag₂O หรือ AgO PbO₂ HgO MnO₂ MnO₂	NH₄Cl - ZnCl₂ KOH KOH KOH H₂SO₄ KOH-ZnO KOH KOH	0.9 - 1.4 1.2 - 1.4 1.1 - 1.3 1.0 - 1.1 1.95 - 2.04 1.30 0.9 - 1.2 3.4

1.1 เซลล์แห้ง (Dry cell)

คือ เซลล์กัลวานิกซึ่งประกอบด้วยสารที่ไม่ไหลหกออกนอกเซลล์ได้ สารเหล่านี้จะอยู่ในรูปของของแข็ง หรือกึ่งของเหลวที่ไม่สามารถไหลได้อย่างรวดเร็ว เซลล์แห้งสามารถอยู่ในรูปกรด หรือเบส ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของสารอิเล็กโทรไลต์ แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

1. เซลล์แห้งชนิดกรด (Acidic dry cells) คือ เซลล์แห้งที่ใช้สารอิเล็กโทรไลต์ที่มีสมบัติเป็นกรด เช่น ถ่านไฟฉาย

2. เซลล์แห้งชนิดเบส (Alkaline dry cells) คือ เซลล์แห้งที่ใช้สารอิเล็กโทรไลต์ที่มีสมบัติเป็นเบส เช่น เซลล์แอลคาไลน์ เซลล์ปรอท เซลล์เงิน

ตัวอย่างของเซลล์แห้ง

ก. ถ่านไฟฉาย เป็นเซลล์ปฐมภูมิชนิดเซลล์แห้ง ชนิดกรด นิยมใช้เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าในวิทยุ ของเล่นเด็ก และหลอดไฟ flash สำหรับถ่ายรูป อาจจะเรียกชื่อหนึ่งว่า เซลล์เลอคังเช ( Leclanche cell) ผู้ประดิษฐ์เซลล์ชนิดนี้คือ Georges Leclanche นักวิศวกรชาวฝรั่งเศส ประดิษฐ์ขึ้นในปี ค.ศ. 1866

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

รูปที่ 1 ถ่านไฟฉายหรือเซลล์เลอคลังเช

ส่วนประกอบของถ่านไฟฉาย

ถ่านไฟฉาย 1 เซลล์ ประกอบด้วย 2 ขั้ว คือ ภาชนะที่ทำด้วยสังกะสีเป็นขั้วแอโนด และใช้แกรไฟต์ (คาร์บอน) เป็นขั้วแคโทด เป็นแท่งอยู่ตรงกลาง และของผสมที่ชื้นของแอมโมเนียมคลอไรด์ (NH₄Cl) แมงกานีส (IV) ออกไซด์ ซิงค์คลอไรด์ และสารเฉื่อยที่เป็นฉนวน ได้แก่ สารที่เป็นเศษขี้เลื่อย ของผสมนี้ถูกแยกออกจากกันด้วยกระดาษแผ่นรูพรุนแยกจากสังกะสีแอโนด 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 และช่วยป้องกันไม่ให้โมเลกุลของก๊าซแอมโมเนีย ซึ่งเป็นฉนวนรวมตัวกันเป็นชั้นบาง ๆ ไปเกาะที่ผิวขั้วแคโทด เรียกว่า เกิด Polarization ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าหยุดไหลหรือลดลงได้

ถ่านไฟฉายเป็นเซลล์ปฐมภูมิที่มีอายุการใช้งานสั้นเมื่อเทียบกับราคาแล้วจะแพงกว่า และเกิด พลังงานต่อหนึ่งหน่วยมวลต่ำ (0.0666 kwh/kg) สังกะสีที่ใช้ทำภาชนะ ผุกร่อนง่าย ไม่เหมาะสมที่จะใช้เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าในเครื่องมือ และอุปกรณ์ต่าง ๆ เพราะการผุกร่อนง่ายของสังกะสีทำให้เซลล์รั่วแตกออก เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ต่าง ๆ ได้

ข. เซลล์อัคคาไลน์ (Alkaline dry cells) เป็นเซลล์ปฐมภูมิ มีหลักการเดียวกันกับถ่านไฟฉาย แต่สารละลายอิเล็กโตรไลต์จะใช้ สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ภาชนะที่ทำด้วยสังกะสีจึงไม่ผุกร่อนได้ง่ายใน OH^- ขั้วแอโนดถูกล้อมรอบด้วยสารผสมระหว่างสังกะสีกับโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์มีลักษณะเป็นกาว (Paste) ส่วนที่ขั้วแคโทดมีสารละลายผสมระหว่างแมงกานีส (IV) ออกไซด์กับแกรไฟต์ล้อมรอบ เซลล์ ชนิดนี้มีศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เท่ากับ 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)

รูปที่ 2 เซลล์อัลคาไลน์

เซลล์อัลคาไลน์มีขนาดเล็ก นิยมใช้ในกล้องถ่ายรูป เครื่องคิดเลข และนาฬิกา

ค. 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

รูปที่ 3 เซลล์ปรอท

เซลล์ปรอทมีขนาดเล็กเท่าเม็ดกระดุม นิยมใช้ในเครื่องมือและอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น เครื่องฟังเสียงของคนพิการ นาฬิกาข้อมือ เกมกด เครื่องคิดเลข และกล้องถ่ายรูป

ง. เซลล์เงิน (Zinc-silver oxide cell หรือ Button Battery) คือ เซลล์ปฐมภูมิเช่นเดียวกับเซลล์ แอลคาไลน์ 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 และกล้องถ่ายรูปอัตโนมัติ

รูปที่ 4 เซลล์เงิน

1.2. เซลล์ทุติยภูมิ (Secondary cell หรือ Reversible cell)

เป็นเซลล์กัลวานิก ที่สารตั้งต้นที่ถูกใช้ไปแล้วสามารถทำให้กลับคืนมาใหม่ได้ โดยการผ่านไฟฟ้ากระแสตรงลงไปในเซลล์ในปริมาณที่พอเหมาะ เรียกกระบวนการนี้ว่า อัดไฟ (Charging หรือ Recharging) ก่อนจะนำเซลล์ไปใช้ต้องนำไปอัดไฟเสียก่อน แล้วจึงนำไปใช้เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าออกได้ เมื่อใช้ไปนาน ๆ สารตั้งต้นจะถูกใช้หมดไป จึงต้องนำไปอัดไฟใหม่เพื่อให้สารผลิตภัณฑ์กลับมาเป็นสารตั้งต้นใหม่อีกครั้ง แล้วสามารถนำไปใช้จ่ายกระแสไฟฟ้าต่อได้ เช่น เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เซลล์นิกเกิล-แคดเมียม

ก. เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว (Lead storage battery) 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

รูปที่ 5 เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว และแบตเตอรี

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

การสร้างเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

ส่วนประกอบ (ก่อนอัดไฟ) ประกอบด้วยแผ่น Pb 2 แผ่นจุ่มอยู่ในสารละลายกรดกำมะถัน (H₂SO₄) เข้มข้น 5.3 mol / dm³ ในภาชนะ ต่อให้ครบวงจรเข้ากับเครื่องโวลต์มิเตอร์ พบว่า เข็มของโวลต์มิเตอร์ไม่เบน แสดงว่าไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร

1. การอัดไฟครั้งแรก เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วอยู่ในรูปเซลล์อิเล็กโทรไลต์

รูปที่ 6 เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วอัดไฟฟ้าครั้งแรก

เมื่อต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเข้ากับแผ่นตะกั่ว (Pb) ทั้งสองแผ่นแทนโวลต์มิเตอร์ แล้วผ่านกระแสไฟฟ้าปริมาณพอเหมาะลงในสารละลายกรดกำมะถัน จะเกิดการเปลี่ยนแปลงขึ้นดังนี้

ที่ขั้ว A (Anode) ซึ่งต่อกับขั้วบวกของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเป็นขั้วบวก พบว่ามีสารสีน้ำตาลดำของเลด (IV) ออกไซด์ (PbO₂) มาเกาะเคลือบที่แผ่น Pb อธิบายได้ว่า Pb ถูกออกซิไดซ์เกิด PbO₂ (สารสีน้ำตาลดำ)ดังนี้

(1) Pb (s) ® Pb²⁺ (aq) + 2e^-

(2) Pb²⁺ (aq) + 2H₂O (l) ® PbO₂ (s) + 4H⁺ (aq) + 2e^-

สมการรวม ; Pb(s) + 2H₂O (l) ® PbO₂ (s) + 4H⁺ (aq) + 4e^- (ปฏิกิริยาออกซิเดชัน)

ที่ขั้ว B (Cathode) ซึ่งต่อกับขั้วลบของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเป็นขั้วลบ มีฟองก๊าซ H₂ เกิดรอบ ๆ แผ่น Pb อธิบายได้ว่า H⁺ ในสารละลายกรดกำมะถัน ถูกรีดิวซ์เป็นก๊าซ H₂ ดังนี้

2H⁺ (aq) + 2e^- ® H₂ (g)

2. การจ่ายไฟ เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วอยู่ในรูปเซลล์กัลวานิก

รูปที่ 7 เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วขณะจ่ายไฟ

หลังจากอัดไฟสักครู่หนึ่งปลดแหล่งกำเนิดไฟฟ้าออก ต่อโวลต์มิเตอร์แทนเซลล์ดังรูป 17.7 จะพบว่าเข็มโวลต์มิเตอร์เบนได้ โดยเบนจากขั้ว B ไป A เกิดการเปลี่ยนแปลงดังนี้

ที่ขั้ว B เป็นขั้วลบ แผ่นตะกั่วสึกกร่อน เกิดคราบสีขาวตกอยู่ก้นภาชนะอธิบายได้ว่า Pb เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันให้ Pb²⁺ ซึ่งจะทำปฏิกิริยาต่อกับ SO₄^2- ในสารละลายกรดกำมะถัน เกิดตะกอนสีขาวของ PbSO₄ ไม่ละลายน้ำ ดังนั้น ขั้ว B เป็น Anode

(1) Pb(s) ® Pb²⁺ (aq) + 2e^-

(2) Pb²⁺ (aq) + SO₄²⁺ (aq) ® PbSO₄ (s)

ปฏิกิริยารวม ; Pb (s) + SO₄^2- (aq) ® PbSO₄ (s) + 2e^- ………….. (3)

ที่ขั้ว B เป็นขั้วบวก PbO₂ ที่เคลือบอยู่บนแผ่น Pb สีน้ำตาลดำหายไป เกิดตะกอนสีขาวขึ้น อธิบายได้ว่า PbO₂ เกิดปฏิกิริยารีดักชันกับ H⁺ เกิด Pb²⁺ และ H₂O แล้ว Pb²⁺ ทำปฏิกิริยาต่อกับ SO₄^2- ในสารละลายกรดกำมะถัน เกิดตะกอนสีขาวของ PbSO₄ ไม่ละลายน้ำ ดังนั้น ขั้ว A เป็น Cathode

(4) PbO₂ (s) + 4H⁺ (aq) + 2e^- ® Pb²⁺ (aq) + 2H₂O (l)

(5) Pb²⁺ (aq) + SO₄^2- (aq) ® PbSO₄ (s)

ปฏิกิริยารวม ; PbO₂ (s) + 4H⁺ (aq) + SO₄^2- (aq) + 2e^- ® PbSO₄ (s) + 2H₂O (l) ………… (6)

ปฏิกิริยาสุทธิของการจ่ายไฟของเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว คือ สมการ (3) + (6)

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

3. การอัดไฟครั้งที่ 2

เซลล์สะสมไฟฟ้าเมื่อจ่ายไฟฟ้าไปนาน ๆ ต้องนำมาอัดไฟใหม่ สำหรับปฏิกิริยาในการอัดไฟในครั้งที่ 2 และครั้งต่อ ๆ ไปจะเกิดขึ้นเหมือนกัน ยกเว้นการอัดไฟครั้งแรกที่แตกต่างกันเท่านั้น

สำหรับปฏิกิริยาการอัดไฟครั้งที่ 2 เกิดตรงข้ามกับปฏิกิริยาการจ่ายไฟ โดยเปลี่ยนสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจากการจ่ายไฟมาเป็นสารตั้งต้นใหม่ ส่วนขั้วบวก ขั้วลบก็ยังคงเป็นขั้วเดิมไม่ว่าจะเป็นการอัดไฟหรือจ่ายไฟ ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในแต่ละขั้นเป็นดังนี้

ที่ขั้ว A เป็นขั้วบวก เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน จึงเป็น Anode

PbSO₄ (s) + 2H₂O (l) ® PbO₂ (s) + 4H⁺ (aq) + 2e^-

ที่ขั้ว B เป็นขั้วลบ เกิดปฏิกิริยารีดักชัน จึงเป็น Cathode

PbSO₄ (s) + 2e^- ® Pb (s) + SO₄^2- (aq)

ปฏิกิริยาสุทธิของการอัดไฟครั้งที่ 2 และครั้งต่อ ๆ ไปเป็นดังนี้

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

สรุป ปฏิกิริยาการจ่ายไฟและอัดไฟทั่วไปเป็นดังนี้

การจ่ายไฟ

การอัดไฟ

Pb(s) + PbO₂ (s)+4H⁺ (aq) + 2SO₄^2- (aq) 2PbSO₄ (s) + 2H₂O (l)

ตารางที่ 2 การเปรียบเทียบความแตกต่างของการจ่ายไฟและการอัดไฟของเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

	การจ่ายไฟ	การอัดไฟ
ขั้ว Pb	- เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน - ขั้วแอโนด - ขั้วลบ เพราะอิเล็กตรอนไหลออก	- เกิดปฏิกิริยารีดักชัน - ขั้วแคโทด - ขั้วลบ เพราะต่อเข้ากับขั้วลบของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า
ขั้ว PbO₂	- เกิดปฏิกิริยารีดักชัน - ขั้วแคโทด - ขั้วบวก เพราะอิเล็กตรออนไหลเข้า	- เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน - ขั้วแอโนด - ขั้วบวก เพราะต่อเข้ากับขั้วบวกของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า
ชนิดของเซลล์	เซลล์กัลวานิก	เซลล์อิเล็กโทรไลต์

ลักษณะสำคัญของเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

1. เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว ขณะอัดไฟเป็นเซลล์อิเล็กโทรไลต์ และจ่ายไฟจะเป็นเซลล์กัลวานิก

2. การอัดไฟครั้งแรกเกิดปฏิกิริยาแตกต่างจากการอัดไฟครั้งอื่น ๆ

3. การอัดไฟครั้งที่ 2 , 3 , … เกิดปฏิกิริยาเหมือนกัน แต่ปฏิกิริยาย้อนกลับ กับปฏิกิริยาจ่ายไฟ

4. ปฏิกิริยาการจ่ายไฟ จะเกิดเหมือนกันทุกครั้ง

5. เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว

= +2.041 V เมื่อนำมาต่อกัน 6 เซลล์แบบอนุกรมจะมีศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ประมาณ 12 V

6. เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว ขณะที่จ่ายไฟและอัดไฟสารที่ใช้และที่เกิดขึ้นใหม่เป็นไปตามตารางนี้

	การจ่ายไฟ	การอัดไฟ
สารที่ใช้	Pb , PbO₂ , H₂SO₄	PbSO₄ , H₂O
สารที่เกิด	PbSO₄ , H₂O	Pb , PbO₂ , H₂SO₄

7. สารละลายกรด H₂SO₄ มีความเข้มข้น 40% โดยมวลความถ่วงจำเพาะ 1.3 ถ้าใช้ไฟไปนาน ๆ จะ พบว่าสารละลายกรด H₂SO₄ มีความถ่วงจำเพาะลดลงเหลือ 1.10 ต้องนำไปอัดไฟใหม่

8. เครื่องมือที่ใช้วัดความถ่วงจำเพาะของกรด H₂SO₄ คือ ไฮโดรมิเตอร์

ข. เซลล์นิกเกิล - แคดเมียม (Nickel - Cadmium cell) หรือ เซลล์นิแคด (Nicad cell) เป็นเซลล์ ทุติยภูมิชนิดหนึ่งที่ใช้ไฟหมด แล้ว สามารถนำไปอัดไฟใช้ใหม่ได้

รูปที่ 8 แสดงส่วนประกอบของเซลล์นิกเกิล - แคดเมียม

เซลล์นิกเกิล - แคดเมียม ใช้กับนาฬิกาข้อมือ เครื่องคิดเลข เครื่องโกนหนวดไฟฟ้า และเครื่องมือถ่ายภาพ เซลล์ชนิดนี้มีแอโนดเป็นโลหะแคตเมียม และแคโทดเป็นนิกเกิล (IV) ออกไซด์ใช้เบสเป็นสารละลายอิเล็กโตรไลต์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

ที่แอโนด ; Cd (s) + 2OH^- (aq) ® Cd (OH)₂ (s) + 2e^- , E⁰ = 0.81 V

ที่แคโทด ; NiO₂ (s) + 2H₂O (l) + 2e^- ® Ni(OH)₂ (s) + 2OH^- (aq) , E⁰ = 0.49 V

ปฏิกิริยารวม ; Cd (s) + NiO₂ (s) + 2H₂O (l) ® Cd (OH)₂ (s) + Ni(OH)₂ (s) ,

= +1.30 V

สารผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาเป็นของแข็งหุ้มเกาะแน่นอยู่ที่ผิวแต่ละขั้ว ดังนั้น เมื่อใช้ไฟไปนาน ๆ จึงต้องนำไปอัดไฟใหม่ เพื่อให้สารที่เป็นของแข็งเหล่านั้นหลุดออก กลายเป็นสารตั้งต้นใหม่ เซลล์ชนิดนี้ไม่เกิดก๊าซจึงไม่เกิด Polarization ดังนั้น ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์จึงคงที่ คือ มีค่าเท่ากับ 1.30 V น้อยกว่าเซลล์ถ่านไฟฉายเล็กน้อย

ตารางที่ 3 เปรียบเทียบเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วกับเซลล์นิกเกิล - แคดเมียม

	เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว	เซลล์นิเกิล - แคดเมียม
ประเภทของเซลล์	เซลล์ทุติยภูมิ	เซลล์ทุติยภูมิ
ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์	2.041 V	1.30 V
ขั้วไฟฟ้า แอโนด (ขั้วลบ) แคโทด (ขั้วบวก)	Pb PbO₂	Cd NiO₂
สารละลายอิเล็กโทรไลต์	กรด H₂SO₄	เบส KOH หรือ NaOH
ขนาดของเซลล์	ใหญ่	เล็ก
การจ่ายไฟ	เซลล์กัลวานิก	เซลล์กัลวานิก
การอัดไฟ	เซลล์อิเล็กโทรไลต์	เซลล์อิเล็กโทรไลต์
ประโยชน์และการนำไปใช้	เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าในรถยนต์	ในนาฬิกาข้อมือ เครื่องคิดเลข เครื่องมือถ่ายภาพ เครื่องโกนหนวด

JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ

น.ส.ศิริพร ว่องไววิริยกิจ

วันเสาร์ที่ 21 กรกฎาคม พ.ศ. 2561

ประโยชน์ของเซลล์กัลวานิก

ใบความรู้ เรื่อง ประโยชน์ของเซลล์กัลวานิก

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

บทความที่ได้รับความนิยม