ตัวอย่างคำถามและการอภิปรายเกี่ยวกับเซลล์อิเล็กโทรไลต์
เซลล์อิเล็กโทรไลติกเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าไปเป็นปฏิกิริยาเคมีที่ไม่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ซึ่งแตกต่างจากเซลล์โวลตาอิกหรือเซลล์กัลวานิกที่แปลงพลังงานเคมีไปเป็นพลังงานไฟฟ้า ในเซลล์อิเล็กโทรไลติก กระแสไฟฟ้าถูกใช้เพื่อบังคับให้เกิดปฏิกิริยาเคมีซึ่งจะไม่เกิดขึ้นหากไม่มีพลังงานไฟฟ้าเพิ่มเติม แนวคิดนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในงานอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การผลิตโลหะบริสุทธิ์ การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจน และอื่นๆ อีกมากมาย
บทความนี้จะกล่าวถึงตัวอย่างปัญหาเกี่ยวกับการแยกด้วยไฟฟ้าหลายตัวอย่าง พร้อมทั้งคำอธิบายที่จะช่วยให้นักเรียนเข้าใจแนวคิดของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น
ตัวอย่างคำถามที่ 1: การแยกสารละลาย NaCl ด้วยไฟฟ้า
ปัญญาญาณ
สารละลายโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ถูกแยกด้วยไฟฟ้าโดยใช้อิเล็กโทรดเฉื่อย จงเขียนปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่แคโทดและแอโนด และผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่แต่ละอิเล็กโทรด
การอภิปราย
ในเซลล์อิเล็กโทรไลติกจะมีขั้วไฟฟ้าสองขั้ว ได้แก่ แคโทด (ขั้วลบ) และแอโนด (ขั้วบวก) กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของสารละลาย NaCl เกิดขึ้นสองขั้นตอน คือ ปฏิกิริยาที่แคโทดและปฏิกิริยาที่แอโนด
1. ปฏิกิริยาที่ขั้วแคโทด:
ที่ขั้วแคโทด ไอออนที่เกี่ยวข้องคือไอออน Na⁺ และไอออน H₂O อย่างไรก็ตาม ไอออน H₂O สามารถถูกรีดิวซ์ได้ง่ายกว่าไอออน Na⁺ เนื่องจากมีศักยภาพในการรีดิวซ์สูงกว่า
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ขั้วแคโทดคือ:
““
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (ศักย์รีดักชัน = -0.83 V)
““
ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่ขั้วแคโทดคือก๊าซไฮโดรเจน (H₂)
2. ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก:
ที่ขั้วบวก ไอออนที่เกี่ยวข้องคือไอออน Cl⁻ และไอออน H₂O ไอออน Cl⁻ ถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายกว่าไอออน H₂O เนื่องจากมีศักยภาพในการออกซิเดชันต่ำกว่า
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ขั้วบวกคือ:
““
2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (ศักย์ออกซิเดชัน = -1.36 V)
““
ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่ขั้วบวกคือแก๊สคลอรีน (Cl₂)
ดังนั้น ในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของสารละลาย NaCl ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่ขั้วแคโทดคือก๊าซไฮโดรเจน (H₂) และที่ขั้วแอโนดคือก๊าซคลอรีน (Cl₂)
ตัวอย่างคำถามที่ 2: การอิเล็กโทรไลซิสของสารละลาย CuSO₄ โดยใช้ขั้วไฟฟ้าทองแดง
ปัญญาญาณ
ทำการแยกสารละลายคอปเปอร์(II)ซัลเฟต (CuSO₄) ด้วยไฟฟ้าโดยใช้ขั้วไฟฟ้าทองแดง จงเขียนปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่แคโทดและแอโนด รวมถึงผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่แต่ละขั้วไฟฟ้า
การอภิปราย
ในกรณีนี้ อิเล็กโทรดไม่ใช่วัสดุเฉื่อย แต่เป็นอิเล็กโทรดทองแดง ดังนั้นอิเล็กโทรดจะทำปฏิกิริยา
1. ปฏิกิริยาที่ขั้วแคโทด:
ที่ขั้วแคโทด ไอออน Cu²⁺ ที่ขั้วแอโนดจะถูกรีดิวซ์
““
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (ศักยภาพในการลด = +0.34 V)
““
ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่ขั้วแคโทดคือทองแดง (Cu) แข็ง ซึ่งจะถูกสะสมอยู่บนขั้วอิเล็กโทรด
2. ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก:
ที่ขั้วบวก ตัวนำไฟฟ้าทองแดงเองจะถูกออกซิไดซ์
““
Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (ศักย์ออกซิเดชัน = -0.34 V)
““
ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่ขั้วบวกคือไอออน Cu²⁺
เนื่องจากอิเล็กโทรดเป็นทองแดง ไอออน Cu²⁺ ที่เกิดจากการอิเล็กโทรไลซิสในสารละลายจึงถูกชดเชยด้วยการละลายของทองแดงที่อิเล็กโทรดแอโนด
ตัวอย่างที่ 3: มวลของโลหะที่ตกตะกอน
ปัญญาญาณ
ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ อิเล็กตรอน 0.2 โมล ไหลผ่านสารละลาย CuSO₄ จะมีทองแดงตกตะกอนที่ขั้วแคโทดกี่กรัม?
การอภิปราย
จำนวนโมลของอิเล็กตรอน (F) ที่ไหลผ่านสามารถใช้ในการกำหนดจำนวนโมลของโลหะที่ตกตะกอนได้ สมการของฟาราเดย์สำหรับการตกตะกอนของโลหะคือ:
\[ n = \frac{Q}{Fz} \]
ที่ไหน:
– Q = ปริมาณประจุ (ในหน่วยคูลอมบ์)
– F = ค่าคงที่ของฟาราเดย์ (96500 C/mol)
– z = จำนวนอิเล็กตรอนต่อโมลของปฏิกิริยา
ในกรณีนี้ Cu²⁺ ดูดซับอิเล็กตรอนสองตัวเพื่อกลายเป็น Cu ดังนั้น z = 2
จำนวนโมลของทองแดงที่ตกตะกอนคือ:
[ n = 0.2 โมลของอิเล็กตรอน}{2} = 0.1 โมลของ Cu ]
น้ำหนักของทองแดงที่สะสม:
มวลของ Cu = n × Mr
โดยที่ Mr คือมวลโมลของ Cu (63.5 กรัม/โมล)
ดังนั้น:
มวลของ Cu = 0.1 × 63.5 = 6.35 กรัม
ดังนั้น ทองแดงจำนวน 6.35 กรัมจะถูกสะสมลงบนแคโทด
ตัวอย่างคำถามที่ 4: การอิเล็กโทรไลซิสของสารละลาย KI
ปัญญาญาณ
ทำการอิเล็กโทรไลซิสสารละลาย KI โดยใช้อิเล็กโทรดเฉื่อย จงเขียนปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่แคโทดและแอโนด รวมถึงผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่แต่ละอิเล็กโทรด
การอภิปราย
1. ปฏิกิริยาที่ขั้วแคโทด:
ที่ขั้วแคโทด ไอออนที่เกี่ยวข้องคือไอออน K⁺ และ H₂O โดย H₂O จะถูกรีดิวซ์ได้ง่ายกว่าไอออน K⁺
““
2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
““
ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่ขั้วแคโทดคือก๊าซไฮโดรเจน (H₂)
2. ปฏิกิริยาที่ขั้วบวก:
ที่ขั้วบวก ไอออนที่เกี่ยวข้องคือไอออน I⁻ และ H₂O ไอออน I⁻ จะถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายกว่าไอออน H₂O
““
2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
““
ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่ขั้วบวกคือไอโอดีน (I₂)
ดังนั้น ในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของสารละลาย KI ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นที่แคโทดคือแก๊สไฮโดรเจน (H₂) และที่แอโนดคือไอโอดีน (I₂)
ปิด
ความเข้าใจอย่างถ่องแท้ในหลักการและการประยุกต์ใช้เซลล์อิเล็กโทรไลต์มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับนักศึกษาเคมีและผู้ประกอบวิชาชีพในสาขาต่างๆ เช่น โลหะวิทยา การผลิตสารเคมี และอุตสาหกรรมพลังงาน บทความนี้นำเสนอตัวอย่างโจทย์ปัญหาเกี่ยวกับการอิเล็กโทรไลซิสและวิธีแก้ปัญหาหลายข้อ เพื่อช่วยเสริมสร้างความเข้าใจนี้ หวังว่าการเชี่ยวชาญแนวคิดพื้นฐานเหล่านี้จะช่วยแก้ปัญหาต่างๆ ทั้งในทางปฏิบัติและทางทฤษฎีที่พบเจอในโลกแห่งความเป็นจริงได้
