บทที่ 17 - wordpress.com · web viewfe2+ และ oh- ท เก ดข...
TRANSCRIPT
17.2 ประโยชนของเซลลอเลกโทรไลต เซลลอเลกโทรไลตเปนเซลลทเปลยนพลงงานไฟฟาเปนพลงงานเคม ซงสามารถอาศยหลกการนมาประยกตใช
ในอตสาหกรรมตาง ๆ ได เชน การชบโลหะ การทำาโลหะใหบรสทธ การถลงแยกแร การแยกสารละลายเกลอดวยกระแสไฟฟา
17.2.1 การชบโลหะดวยไฟฟา(Electroplating) การชบโลหะดวยไฟฟา คอ กระบวนการอเลกโทรลซสอยางหนงทอาศยพลงงานไฟฟาทำาใหไอออน
ของโลหะชนดหนง กลายเปนโลหะเคลอบ หรอ เกาะบนโลหะอกชนดหนง ซงโดยหลกการนสามารถนำาไปใชประโยชนใน ดานตาง ๆ เชน การปองกนการผกรอนของโลหะบางชนด การทำาใหโลหะมความสวยงามและคงทน ฯลฯ
หลกทวไปในการชบโลหะดวยไฟฟา
1. จดชนงานทจะชบตอเขากบขวแคโทด (ขวลบ)2. ตองการชบดวยโลหะใด ใหใชโลหะนนเปนแอโนด (ขวบวก)3. สารละลายอเลกโทรไลตตองมไอออนของโลหะทใชเปนขวแอโนด4. ตองใชไฟฟากระแสตรง และการกำาหนดศกยไฟฟาทเหมาะสมกจะทำาใหไดผลตภณฑทสวยงาม
ตวอยางเชน ตองการชบสรอยเงนใหเปนสรอยทอง นำาสรอยเงนตอเขากบขวแคโทด และใชโลหะ
ทองคำา ตอเขากบขวแอโนด โดยใชสารละลายทมไอออนของทอง เชน Au+ , Au3+ เปนสารละลายอเลก โทรไลต แลวตอเขากบแหลงกำาเนดไฟฟากระแสตรง โดยปรบคาศกยไฟฟาใหเหมาะสม กจะไดสรอยทองคำาททำาจาก
โลหะเงน
ตวอยางการชบชนงานทองแดงโดยใชไฟฟากระแสตรง
รปท 17.9 แสดงการชบชนงานดวยทองแดงโดยใชไฟฟากระแสตรงจากภาพอธบายไดวา
1. ตอโลหะทองแดง (Cu ) เขากบขวแอโนด หรอขวบวก2. ตอชนงานทจะเคลอบเขากบขวแคโทด หรอขวลบของแบตเตอร
3. ใชสารละลาย Cu2+ เปนสารละลายอเลกโทรไลต เชน CuSO4(aq)
4. ผานไฟฟากระแสตรงทมศกยไฟฟาทเหมาะสมลงไป เมอผานไฟฟากระแสตรงลงไปในเซลลดงรป จะพบวา อเลกตรอนจากแบตเตอรจะเคลอนลงไปสขวแคโทด
ทำาใหทขวนมปรมาณของอเลกตรอนมาก และ Cu2+ ซงเปนไอออนบวกกจะเคลอนทเขามารบอเลกตรอน เกด
ปฏกรยารดกชน กลายเปน โลหะทองแดง เกาะ / เคลอบอยบนชนงาน ขณะเดยวกนทขวแอโนดซงมโลหะทองแดงตอ
อยกจะเกดปฏกรยาออกซเดชนได Cu2+ ลงสสารละลายเพอชดเชยกบ Cu2+ ทลดลง ทำาใหความเขมขน
ของสารละลายอเลกโทรไลตคงท และอเลกตรอนทขวแอโนดไหลเขาไปทขวบวก(แคโทด) ของแบตเตอร ทำาใหกระแส ไฟฟาครบวงจร ปฏกรยาทเกดขนทขวแอโนด และแคโทด เปนดงน
ทขวแอโนด ; Cu (s) Cu2+ (aq) + 2e-
ทขวแคโทด ; Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s)
การชบโลหะใหผวเรยบและสวยงามนนขนอยกบปจจยตอไปน1. สารละลายอเลกโทรไลตตองมความเขมขนทเหมาะสม2. กระแสไฟฟาทใชตองปรบคาความตางศกยใหมความเหมาะสมตามชนดและขนาดของชนโลหะทตอง
ชบ3. โลหะทใชเปนแอโนดตองบรสทธ และถาไมบรสทธตองใชสารบางชนดเตมลงไปเพอทำาปฏกรยากบ
สารทเปนมลทนไมใหมาเกาะบนผวโลหะทนำามาชบ เชน ในทางอตสาหกรรมจะใสสารประกอบไซยาไนด เพอใหทำาปฏกรยากบโลหะทเปนมลทน โดยจะ เกดสารประกอบเชงซอน จงไมมารบกวนหรอเกาะบนโลหะท
ตองการชบ
4. ไมควรชบนานเกนไป ควรชบเพยง 2 -3 นาทเทานน
ตารางท 17.4 การชบโลหะดวยไฟฟาโลหะทตองการชบ แอโนด สารละลายอเลกโทรไลต การนำาไปใช
Cu Cu 20% CuSO4 , 7% H2SO4
การชบโลหะเพอความสวยงาม
Ag Ag 4% AgCN , 4% KCN , 4% K2CO3
ภาชนะตาง ๆ ทใชกบโตะอาหาร เครองเพชร พลอย
Au Cu , C , Ni -Cr
3% AuCN , 19 % KCN , K2HPO4 สารละลายบฟเฟอร
เครองเพชรพลอย
Cr Pb 25 % CrO3 , 0.25% H2SO4 , 30% NiSO4 , 2% NiCl2 , 1% H3BO3
สวนตาง ๆ ในเครองยนต
Ni Ni 30 % NiSO4 , แผนพนฐานโลหะ
2% NiCl2 , 1% H3BO3
Zn Zn 4% Zn(CN)2 , 5% NaCN , 8% NaOH , 5% Na2CO3
สงกะสมงหลงคา
Sn Sn 8% H2SO4 , 7% SnSO4
กระปองเคลอบดบก
จากตารางท 17.4 จะพบวาในกระบวนการชบโลหะดวยไฟฟา จะม CN- อยในสารละลายอเลกโทร ไลตทงนเพอใชทำาปฏกรยากบไอออนของโลหะเกดเปนสารประกอบเชงซอน ทำาใหความเขมขนของโลหะไอออนลดลง
เปนการปองกนไมใหไอออนบวกของโลหะเกดเปนโลหะเคลอบผวสารทตองการเรวเกนไป ซงจะทำาใหโลหะเคลอบได หยาบไมเรยบ หลดงาย
17.2.2 การทำาโลหะใหบรสทธดวยไฟฟา (Electrorefining) การทำาโลหะใหบรสทธ เปนขนตอนหนงในกระบวนการถลงแร โดยทวไป โลหะทถลงไดจากแรมกจะมมลทน
ปนอยเลกนอย เพอทำาใหโลหะนบรสทธมากขนจะใชกรบวนการอเลกโทรลซส ทเรยกวา Electrorefining ซงมหลกการดงน
1. นำาโลหะทจะทำาใหบรสทธตอเขากบขวแอโนด (ขวบวก)2. ใชโลหะบรสทธอกแทงหนงตอเขากบขวแคโทด (ขวลบ)3. ในสารละลายอเลกโตรไลตตองมไอออนบวกของโลหะทตองการทำาใหบรสทธประกอบอยดวย4. ตอเขากบแหลงกำาเนดไฟฟากระแสตรง และจดใหมศกยไฟฟาของเซลลทเหมาะสม
ตวอยางการทำาโลหะทองแดงทไดจากการถลงแรคาลโคไพไรด (CuFeS2) ใหบรสทธดวยไฟฟา
รปท 17.10 การทำาโลหะทองแดงใหบรสทธดวยวธการอเลกโทรลซส
การถลงแรทองแดงชอวา คาลโคไพไรด (CuFeS2) จะไดโลหะทองแดงทบรสทธ 99 % เทานน ถาตองการทำาใหบรสทธขนอกตองนำาโลหะทองแดงทไดนไปผานกระบวนการอเลกโทรลซส แยกมลทนใน
ทองแดงออก
มลทนทพบในโลหะทองแดงม 2 ชนด คอ
1. โลหะทถกออกซไดสงาย ( พวกนมคา E0 ตำา ) เชน Zn , Fe2. โลหะทถกออกซไดซยาก ( พวกนมคา E0 สง ) เชน Pt , Au , Ag
การจดเครองมอดงรป 17.10 ตอ Cu ทไมบรสทธเขากบขวแอโนด และ Cu บรสทธเขากบ ขวแคโทด จมขวทงสองในสารละลายอเลกโทรไลต CuSO4 ผสมกบ H2SO4 แลวตอใหครบวงจรกบ แบตเตอร ผานไฟฟากระแสตรงทมศกยพอเหมาะลงไป จะพบวาเกดปฏกรยาขนทขวแอโนด และแคโทดดงน
ขวแคโทด ; Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s)ขวแอโนด ; เปนขวทตอกบ Cu ไมบรสทธ จะเกดปฏกรยาออกซเดชนขน โดยโลหะ Cu และ
พวกทเปนมลทน เชน Zn , Fe ( มคา E0 ตำา ) จะใหอเลกตรอนและเกดเปนไอออนบวก คอ Cu2+ , Zn2+ , และ Fe2+ สวนพวกมลทนทม E0 สง เชน Ag , Pt , Au
จะใหอเลกตรอนยาก จะตกเปนตะกอนลงทแอโนด เรยกตะกอนของโลหะพวกนวา Anode mud Cu (s) Cu2+ (aq) + 2e-
Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e-
Fe (s) Fe2+ (aq) + 2e-
ไอออนบวกของโลหะทเกดจากแอโนดในสารละลาย คอ Zn2+ (E0 = -0.76 V) , Fe2+ (E0 = -0.41 V) ซงมคา E0 ตำากวา Cu2+ (E0 = +0.34 V) ดง
นนจงพบวา Cu2+ จะเขาไปรบอเลกตรอนและเกดปฏกรยารดกชนเปนโลหะ Cu ทแคโทดไดดกวา Zn2+
, และ Fe2+ ซงรบอเลกตรอนยากกวาและมโอกาสเกดเปนโลหะทแคโทดไดนอย จงทำาใหโลหะทองแดงทแยก
ไดทขวแคโทด มความบรสทธ 99.95 % H2SO4 ทเตมลงไปจะมหนาทไปกดกรอนให Cu , Zn และ Fe เสยอเลกตรอนเกดเปน
ไอออนเรวและงายขน
รปท 17.11 แสดงเซลลอเลกโทรไลตทใชสำาหรบการทำาโลหะทองแดงใหบรสทธในอตสาหกรรมก. กอนการเกดอเลกโทนลซสข. หลงการเกดอเลกโทรลซสค. เซลลอเลกโทรไลตในอตสาหกรรมสำาหรบการทำาโลหะทองแดงใหบรสทธดวยไฟฟา
17.2.3 การทำาอเลกโทรลซสในการผลตโลหะก. การผลตโลหะอลมเนยม ในป ค.ศ. 1886 Charles Martin เปนนกศกษาทวทยาลย
Oberlin ใน Ohio ประเทศสหรฐฯ ไดประดษฐ เครองมอเพอใชในการทำาอเลกโทรลซสสำาหรบผลต
อะลมเนยม และในขณะเดยวกน Paul Heroult ทประเทศฝรงเศสกคนพบวธการททนสมยในการผลตอะลมเนยมดวยการอเลกโทรลซสในหองปฏบตการทปารส
ขนตอนการผลตโลหะอลมเนยมสามารถสรปไดดงน
1. กระบวนการทำาแรบอกไซดใหบรสทธ เรยก กระบวนการเบเยอร โดยใชแรบอกไซด (Al2O3) ทมมลทนปน คอ Fe2O3 และ TiO2 จงตองแยกมลทนออกกอน และเนองจาก Al2O3 เปนสารแอมเฟอเทอรก (เปนกรดและเบส) จงนำาแรบอกไซดทมมลทนอยดวยไปละลายในสารละลาย NaOH จะพบวา Al2O3 ละลายใน NaOH แตมลทนเปนออกไซดทมสมบตเปนเบส ไมละลายใน NaOH แลวกรองตะกอนทเปนมลทนออก ดงน
Al2O3 (s) + 2OH- (aq) + 3H2O(l) 2[Al(OH)4]- (aq)
สารละลายทไดเจอจางดวยนำาแลวเตมกรดใหเกด Al(OH)3 ตกตะกอนดงน
[Al(OH)4]- (aq) + H3O+ (aq) Al(OH)3 (s) + 3H2O(l)
กรองตะกอน Al(OH)3 เผาจะได Al2O3 บรสทธ คอ
2 Al(OH)3 (s) Al2O3 (s) + 3H2O (g)
2. กระบวนการผลต Al จากแรบอกไซด(Al2O3 ) เรยกวาการถลง Al จากแร บอกไซด หรอ Hall - Heroult Process Al2O3 มจดหลอมเหลวสงมาก (2020
0C) และ Al2O3 หลอมเหลวจะนำาไฟฟานอย การอเลกโทรลซส Al2O3 หลอมเหลวจงไมเกดขน ดงนน
จงละลาย Al2O3 15% โดยมวลในสนแรไครโอไลต (Na3AlF6) เหลวทอณหภมประมาณ 1000 0C จะไดสารละลายทนำาไฟฟาไดด จากนนกนำาสารละลาย Al2O3 ในแรไครโอไลตเหลวไปแยก
ดวยไฟฟาในเซลลอเลกโทรไลต ทอณหภม 950 0C ( ซงตำากวาจดหลอมเหลวของ Al2O3 ) ไดโลหะ Al ทมความบรสทธ 99.0 - 99.8 % ปฏกรยาทเกดขนทขวไฟฟาแอโนด และแคโทดเปนดงน
ทแคโทด ; Al3+ + 3e- Al (s) ทแอโนด ; 2O2- O2 (g) + 4e-
ปฏกรยาสทธ ; 4Al3+ + 6O2- 4Al (l) + 3O2 (g)
รปท 17.12 เซลลอเลกโทรไลตใชสำาหรบผลตอะลมเนยม โดยใชขวแกรไฟต ( C ) ดวยสารละลาย Al2O3 ในแรไคโอไลต
เนองจากการผลต Al โดยการอเลกโทรลซส ตองใชพลงงานสงมากประมาณ 15,000 KWh ตอ Al 1 ตน จงมคาใชจายสง ดงนนจงนยมนำาโลหะอะลมเนยมทใชแลวกลบมาใชใหมมากกวาทจะใชวธการอ
เลกโทรลซสจากแรบอกไซด
ข. การผลตโลหะแมกนเซยม โลหะแมกนเซยม เปนโลหะทมนำาหนกเบา มความหนาแนนตำา (1.74 g/cm3 ) แขงแรง
ทนทาน ใชประโยชนในการทำาโลหะผสม เชน ผสมกบโลหะอะลมเนยมสำาหรบทำาปกเครองบน ใชทำาไสหลอดไฟแฟลชเพอใชในการถายรป
แหลงทพบโลหะแมกนเซยม เกดจากแรคารบอเนต และเกลอในนำาทะเล โดยในนำาทะเลพบวาม Mg อย 0.13%
ขนตอนการผลตโลหะแมกนเซยม
รปท 17.13 แผนภาพแสดงขนตอนตาง ๆ ในอตสาหกรรมการผลตแมกนเซยมจาก Mg2+ ไอออนจากนำาทะเล
เมอนำานำาทะเลมาเตมเบส (Ca(OH)2 ) จะพบวา Mg2+ ในนำาทะเลจะตกตะกอนอยในรป Mg(OH)2 ดงน
Ca(OH)2 (s) + Mg2+ (aq) Ca2+ (aq) + Mg(OH)2 (s)
แลวลางตะกอน Mg(OH)2 (s) ออกนำาไปทำาปฏกรยาสะเทนกบกรด HCl จากนนระเหยนำา ออกจะไดของแหง MgCl2 ทำาให MgCl2 หลอมเหลวแลวผานไฟฟากระแสตรงลงไปในเซลล ภายใต
บรรยากาศของกาซเฉอยจะได Mg เหลวออกมา พรอมกบกาซ Cl2 ปฏกรยาทเกดขนเปนดงน
Mg(OH)2 (s) + 2[ H+ (aq) + Cl- (aq) ] Mg2+
(aq) + 2Cl- (aq) + 2H2OMg2+ (aq) + 2Cl- (aq) + 2H2O กระเหยนำาออ MgCl2
(s)MgCl2 (s) หลอมเหลว MgCl2 (l)MgCl2 (l) ซสอเลกโทรล Mg (s) + Cl2 (g)
รปท 17.14 เซลลอเลกโทรไลตสำาหรบการแยก MgCl2 ทหลอมเหลวดวยไฟฟา โลหะ Mg จะเกดท แคโทดลอยอยบน MgCl2 ทเหลว และถกแยกออกเปนระยะ ๆ สวนกาซ Cl2 เกดรอบ ๆ แกรไฟต ซงเปน
แอโนด ผานทอเลก ๆ แยกออกไป
ปฏกรยาทเกดขนสามารถแสดงไดดงน
ทขวแอโนด (แกรไฟต) ; 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-
ทขวแคโทด ; Mg2+ (l) + 2e- Mg (s)ปฏกรยาสทธ ; Mg2+ (l) + 2Cl- (l) Mg (s) + Cl2
(g) ในอตสาหกรรมการผลตโลหะแมกนเซยม แมกนเซยม 1 กโลกรม ตองใชพลงงาน 300 MJ ดง
นนจงตองมคาใชจายสง จงนยมนำาโลหะแมกนเซยมทใชแลวกลบมาใชใหมมากกวา เพราะประหยดพลงงานและ คาใช
จายไดมากกวา ( แมกนเซยมทนำากลบมาใชใหม 1 กโลกรมใชพลงงานเพยง 7 MJ )
ค. การผลตโลหะโซเดยมโลหะโซเดยมมจดหลอมเหลว( 97.8 0 C) และความหนาแนนตำา (0.97
g/cm3) มความวองไวทางเคมสง ปจจบนใชโซเดยมสำาหรบเปนสารหลอเยนในเครองปฏกรณปรมาณ และใช
เปนตวรดวซในการเตรยมโลหะไททาเนยม (Ti) และโซเดยมเปอรออกไซด นอกจากนนยงใชไอของโซเดยมบรรจในหลอดไฟเพอใหเปนไฟสเหลอง
ในป ค.ศ. 1807 Sir Humphrey Davy เปนคนแรกทแยก Na จากการอเลกโทรลซส NaOH ตอมาในป ค.ศ. 1833 Faraday และคณะไดแยก Na จากการอเลกโทรลซส NaCl หลอมเหลว แตอยางไรกตามวธการนไมใชในการผลตโลหะโซเดยมใน
อตสาหกรรม จนกระทงป ค.ศ. 1921 จงมการผลตโลหะโซเดยมในอตสาหกรรมโดยใช Down cell โดย Du Pont Chemical Company
อตสาหกรรมการผลตโซเดยม
เมอผานกระแสไฟฟาลงไปใน NaCl ทหลอมเหลว จะเกดปฏกรยาขนดงน
ทขวแอโนด ; 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-
ทขวแคโทด ; 2Na + (l) + 2e- 2Na (l) ปฏกรยาสทธ ; 2Na+ (l) + 2Cl- (l) 2Na (l) + Cl2 (l)
รปท 17.15 แสดงแรงดงดดระหวางประจตรงกนขามทเกดจาก Na+ ไอออนเคลอนเขาหาขวลบ (แคโทด)
และ Cl- ไอออนเคลอนเขาหาขวบวก (แอโนด)ก. Na+ เคลอนเขาไปรบอเลกตรอนกลายเปนอะตอม Na ทเปนกลางทขวแคโทดข. Cl- เคลอนทเขาไปใหอเลกตรอนแลวกลายเปนอะตอม Cl ทเปนกลาง แลวรวมตวกน
เปนโมเลกล Cl2 ของกาซทแอโนด (ขวบวก)
รปท 17.16 Downs cell สำาหรบผลต Na และ Cl2 จาก NaCl หลอมเหลวดวยกระบวนการอเลกโทรลซส
แบบทดสอบท 17.2
ขอ 1 NaCl มจดหลอมเหลว 801 องศาเซลเซยส สงกวาของ NaOH ทม จดหลอมเหลว 322 องศาเซลเซยส ในการเตรยม Na จากการอเลกโทรลซส NaCl ทหลอมเหลวใช
พลงงานมากกวา NaOH หลอมเหลว แตทำาไมในอตสหกรรมเตรยม Na จงนยมทำาการอเลกโทรลซส NaCl หลอมเหลวมากกวาการใช NaOH หลอมเหลว จงอธบายและใชเหตผลประกอบ
ขอ 2 การอเลกโทรลซสสารละลาย MgCl2 เขมขน 0.22 โมลตอลตร จำานวน 2.5 dm3 เกดกาซ H2 จำานวน 104 cm3 ท 23 0 C ความดน 727 mmHg จะ
เกดตะกอน Mg(OH)2 ขนหนกกกรมในกระบวนการทเกดขนน
ขอ 3 การอเลกโทรลซส NaCl หลอมเหลวใน Downs cell ในเวลา 10 ชวโมง เกดกาซคลอรน 3.55 x 108 dm3 ท STP อยากทราบวาตองใช NaCl หนกเทาไร และจะ
เกดโลหะ Na ทงสนเทาไร สมมตวา NaCl ทใชบรสทธ มวลอะตอมของ Na = 23 , Cl = 35.5
ขอ 4 . จงเขยนรปภาพแสดงอปกรณการชบตะปเหลกดวยโครเมยม พรอมทงระบสวนตาง ๆ ท จำาเปนทตองใชในการชบนดวย และเขยนสมการแสดงปฏกรยาทแอโนดและแคโทด
ขอ 5. การเตรยมธาตบางชนด โดยการอเลกโทรลซสสารประกอบหรอแรดวยไฟฟา จงเตมขอความลงในชองวางในตารางนใหสมบรณ
ธาต สารประกอบแร ปฏกรยาทเกดขนทขว
AlMgNa
ขอ 6. กำาหนดรปแสดงการอเลกโทรลซสตาง ๆ ดงน
A คอ คารบอน (แกรไฟต)X , Y , Z คอ โลหะใด ๆ
6.1 …………………………การทำาโลหะใหบรสทธ คอ รป ..6.2 …………………………การเตรยมโลหะจากสารประกอบ คอ รป
6.3 …………………………การชบโลหะ คอ รป ..6.4 ……………………………การแยกนำาดวยไฟฟา คอ รป ..
เฉลยแบบทดสอบท 17.2 ขอ 1 แนวคด
NaCl มจดหลอมเหลว 801 0C และ NaOH มจดหลอมเหลว 327 0
C จะเหนไดวาจดหลอมเหลวของ NaCl สงกวา NaOH แตในการเตรยมโลหะ Na จากการอเลก โทรลซสกลบใช NaCl ไมใช NaOH ทง ๆ ทใช NaCl เตรยมตองใชพลงงานมากกวา ทเปนเชนนก
เพราะการอเลกโทรลซส NaOH หลอมเหลวดวยไฟฟาจะเกดปฏกรยาดงน NaOH (l) Na+ (l) + OH- (l)
แอโนด ; 4OH- (l) O2 (g) + 2H2O (l) + 4e-
แคโทด ; 4Na+ + 4e- 4Na (s) จากสมการของปฏกรยาทแอโนด จะพบวาเกด H2O ซงจะทำาปฏกรยารนแรงกบ Na ท
แคโทด อาจจะระเบดเปนอนตรายได
สวนการอเลกโทรลซส NaCl หลอมเหลวดวยไฟฟา เกดปฏกรยาดงน
แอโนด ; 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-
แคโทด ; 2Na+ (l) + 2e- 2 Na (s) จากสมการจะเหนวาไมเกดนำา ทแอโนด ดงนนจงไมเกดปฏกรยารนแรงกบ Na แทแคโทด
จงสรปไดวาการเตรยมโซเดยมในอตสาหกรรมจงนยมใชการแยก NaCl ทหลอมเหลวดวยไฟฟา
ขอ 2. เกดตะกอนของ Mg(OH)2 = 0.2343 g ขอ 3. เกดโลหะโซเดยม = 7.29 x 108
g ขอ 4.
ขอ 5.
ธาต สารประกอบแร ปฏกรยาทเกดขนทขว
Al
Mg
Na
แรบอกไซด (Al2O3)
แมกนเซยมคลอไรด (MgCl2) จากนำาทะเล
โซเดยมคลอไรดจากนำาทะเล
แอโนด2O2-(l) O2(g) + 4e-
แคโทด Al3+ (l) + 3e- Al (l)
แอโนด 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-
แคโทด Mg2+ (l) + 2e- Mg (s)
แอโนด 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-
แคโทด 2Na+ (l) + 2e- 2Na (l)
ขอ 6. 6.1 การทำาโลหะใหบรสทธ คอ รป 36.2 การเตรยมโลหะจากสารประกอบ คอ รป 16.3 การชบโลหะ คอ รป 56.4 การแยกนำาดวยไฟฟา คอ รป 4
17.3. การผกรอนของโลหะและการปองกนการผกรอนของโลหะ คอ กระบวนการของปฏกรยารดอกซทเกดจากโลหะถกออกซไดสเปนสารประกอบใน
ภาวะแวดลอมตาง ๆ กน เชน การเกดสนม (Iron rust Fe2O3 .nH2O) โลหะเงนเกดความ หมอง (Tranished silver , Ag2S) การเกดสารสเขยว (Green patina
CuCO3 ) เคลอบบนโลหะทองแดง ทองเหลอง ทองบรอนซลกษณะสำาคญของการผกรอนของโลหะ
1. การผกรอนของโลหะเกดจากปฏกรยารดอกซโดยโลหะใหอเลกตรอนเกดปฏกรยาออกซเดชน สวนสารอน ทรบอเลกตรอนจะเกดปฏกรยารดกชน หรอเปนตวออกซไดซ
2. เหลกทำาปฏกรยากบกาซออกซเจน และนำา เกดออกไซด Fe2O3 เรยกวา การเกดสนมเหลก (Rust)
3. สนมของโลหะตางชนดกนจะเกดสตางกน เชน สนมเหลก Fe2O3 มสนำาตาล สนมทองแดง CuO มสดำา หรอสนำาตาลดำา สวนสนมอลมเนยมคอ Al2O3 มสขาว
4. สนมของโลหะมกเกดในรปของออกซได เชน Fe2O3 , Al2O3 , CuO5. โลหะทผกรอนงาย ไดแก โลหะทมคา E0 ตำา เชน โลหะอลคาไลน ( หม1A) และโลหะอลคา ไลนเอรท ( หม 2A)
6. ปจจยทจะทำาใหโลหะทวไปผกรอนสรปไดดงน6.1 โลหะจมในกรด ( ยกเวนโลหะมตระกล Au , Ag , Pt) จะผกรอนเกดการ
ไฮโดรเจน เชน
Mg (s) + 2H+ (aq) Mg2+ (aq) + H2 (g)6.2 โลหะจมอยอยในไอออนบวกของโลหะทมคา E0 สงกวา จะเกดการผกรอนได เชน
โลหะเห, กจะเกดการผกรอนไดเมอจมอยในสารละลาย Cu2+ (aq) ซงเกดปฏกรยาขนดงนFe (s) + Cu2+(aq) Fe2+ (aq) + Cu (s)
6.3 โลหะทำาปฏกรยากบ O2 และนำาพรอมกนจะเกดออกไซด เรยกกระบวนการนวา การเกดสนม
การศกษาการผกรอนของโลหะเหลก
1. เหลกจะเปนสนมอยางชา ๆ เมอสมผสกบอากาศแหง เพราะอะตอมของเหลกทผวหนาจะทำาปฏกรยา อยางชา ๆ กบกาซออกซเจนในบรรยากาศ เกดออกไซดของเหลกหลายชนดปนกน ดงน
2Fe (s) + O2 (g) 2FeO (s)4Fe (s) + 3O2 (g) 2Fe2O3 (s)3Fe (s) + 2O2 (g) Fe3O4 (s)
โลหะทเกดสนมขนจะเกดรจำานวนมากทผวของโลหะ ทำาใหอะตอมของออกซเจนและนำาสามารถเขาไปทำา ปฏกรยากบโลหะ ทำาใหเกดกระบวนการผกรอนตอ ๆ ไป
2.เหลกจมในสารละลายกรดเกดปฏกรยาการผกรอน ไดไอออนของเหลกและกาซไฮโดรเจน ดงน
Fe (s) + 2H+ (aq) Fe2+ (aq) + H2 (g) 2Fe (s) + 6H+ (aq) 2Fe3+ (aq) + 3 H2
(g) ถาม O2 อยดวย Fe2+ จะถกออกซไดซเปน Fe3+ ไอออนดงน
4Fe2+ (aq) + O2 (g) + 4H+ (aq) 4Fe3+
(aq) + 2 H2O (l )ทกปฏกรยาขางตนนสามารถเกดขนไดเองตามธรรมชาต
3. เหลกจะไมเปนสนมเมอสมผสกบนำาทไมมออกซเจนละลายอย
4. เหลกจะเปนสนม เมอสมผสกบนำาทมออกซเจนละลายนำา ไดดกวาการสมผสกบอากาศแหง ๆ ท ปราศจากนำา
เมอโลหะเหลกอยในนำาทมกาซออกซเจนละลายอยจะเกดปฏกรยารดอกซเกดขนดงน ปฏกรยาออกซเดชน
Fe (s) Fe2+ (aq) + 2e-ปฏกรยารดกชน
O2 (g) + 2H2O (l) + 2e- 4OH- (aq) ปฏกรยาสทธ ;
2Fe (s) + O2 (g) + 2H2O(l) 2Fe2+(aq)+4OH-(aq)
Fe2+ และ OH- ทเกดขนจะรวมตวกนเกดเปนตะกอน Fe(OH)2 แลวถกออกซ ไดสดวย H2O และ O2 เปนสนมในทสด
4Fe(OH)2 (s) + O2 (g) + 2H2O (l) 4Fe (OH)3 (s)
2Fe (OH)3 (s) Fe2O3 . H2O (s) + 2H2O (l) สนมเหลก
รปท 17.17 เมอโลหะ Fe ถกจมอยในนำาทม O2 ละลายอย ออกซเดชนของ Fe และรดกชนของ O2 สามารถเกดขนทจดตางกนบนผวโลหะ ผลสทธจะเกด Fe2+ และ
OH- แลวแพรเขามารวมกน เกดสารเชงซอนทถกออกซไดสเปนสนม Fe2O3 . H2O (s)
5. เหลกจะเกดสนมเรวขนเมอสมผสกบโลหะทองแดง อธบายไดในรปเซลลกลวานกทจด 2 จดโลหะ เหลกสมผสกบโลหะทองแดง โดยโลหะเหลกทำา
หนาทแอโนดใหอเลกตรอนเกด Fe2+ ไอออน แอโนด ; Fe (s) Fe2+ (aq) + 2e- E0 = 0.409
V แคโทด ; O2 (g) + 2H2O (l) + 2e- 4OH- (aq) E0 =
0.401 VFe2+ ไอออนทเกดขนทแอโนดแพรมารวมตวกบ OH- ไอออนทแคโทดเกดตะกอนแลวถกออกซไดซ
ไปเปนสนมเหลกในทสด เรยกกระบวนการนวา galvanic corrosions เพราะปฏกรยาสทธคลายปฏกรยาทเกดขนในเซลลกลวานก
รปท 17.18 เมอโลหะเหลกสมผสกบโลหะทองแดงโดยมหยดนำาทม O2 ละลายอย อธบายในรปเซลลกลวา
นก Fe ถกออกซไดซเปน Fe2+ ไอออน เกดอเลกตรอนถายเทไปยงโลหะทองแดงซง O2 ในนำาถกรดวซไป เปน OH- ไอออน
โลหะทองแดงจะไมผกรอนเมอสมผสกบเหลก เพราะวาทองแดงเปนตวรดวซออนกวาเหลก ถาเซลลกลวานก ประกอบดวยโลหะทองแดงเปนแอโนด เกดปฏกรยาออกซเดชนจะพบวาอเลกตรอนไหลไปยงโลหะเหลกทเปนแคโทด
โดยม O2 ละลายอยในนำา และกาซ O2 ถกรดวซ แอโนด ; Cu (s) Cu2+ (aq) + 2e- E0 = -
0.34 V แคโทด ; O2 (g) + 2H2O (l) + 2e- 4OH- (aq) E0 =
0.401 V ศกยไฟฟาสทธของปฏกรยานมคานอยกวา ศกยไฟฟาสทธของปฏกรยาทเกดเหลกเปนแอโนด
Cu (s) + O2 (g) + 2H2O (l) Cu2+ (aq) + 4OH-
(aq) 0cellE = 0.061 V
Fe (s) + O2 (g) + 2H2O (l) Fe2+ (aq) + 4OH- (aq) 0cellE = 0.810 V
ดงนน เหลกจงผกรอนงายกวาทองแดง
6. เหลกจะไมเปนสนมเมอสมผสกบโลหะสงกะส หรอแมกนเซยม
โลหะทเปนตวรดวซทดกวาเหลก( คอ โลหะทม E0 ตำากวา เชน Zn , Mg ) สมผส กบเหลกจะสามารถปองกนการผกรอนไดดงรป 17.19 กระบวนการนเรยกวา Cathodic
protection ซงสามารถอธบายในรปเซลลกลวานก คอ โลหะเหลกเปนแคโทด สวนโลหะสงกะสหรอ แมกนเซยมจะเปนแอโนด เกดปฏกรยาดงน
แอโนด ; Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e- E0 = 0.763 V
แคโทด ; O2 (g) + 2H2O (l) + 2e- 4OH- (aq) E0 = 0.401 V
ปฏกรยารวม ; Zn (s) + O2 (g) + 2H2O (l) Zn2+ (aq) + 4OH- (aq) , 0
cellE = 1.164 V ศกยไฟฟาสทธสำาหรบปฏกรยานมคามากกวาศกยไฟฟาสทธ สำาหรบปฏกรยาทมเหลกเปนแอโนด ดงนนโลหะสงกะสจะผกรอนแทนเหลก โดยหลกการนไดนำามาใชทำาสงกะสมงหลงคา กลาวคอใชโลหะสงกะสเคลอบแผน
เหลกเพอปองกนการผกรอนของแผนเหลก
รปท 17.19 การผกรอนของเหลกสามารถปองกนโดยวธCathodic protection
การทดลองศกษาภาวะททำาใหเหลกเกดการผกรอน
การทดลองดงรป 17.20 แสดงภาวะททำาใหเหลกเปนสนม
รปท 17.20 ภาวะทจะทำาใหเหลกเปนสนม จากรป17.20 การทดลองภาวะททำาใหเหลกเปนสนม สรปไดวา
1. เหลกเปนสนมตองใช O2 และ H2O2. เหลกจะเปนสนมเรวขนเมออยในนำาทมเกลอละลายแตกตวเปนไอออนอย3. เหลกจะเปนสนมเรวขนเมออยในสารละลายกรดเลกนอย4. เหลกจะไมเปนสนมเมอสมผสกบโลหะสงกะส
การทดสอบการผกรอนของเหลก
การเกดสนม เปนการผกรอนของเหลกอยางหนง ขนตอนระหวางการผกรอนจะเกด OH- และ Fe2+
ขนกอน แลวจงถกออกซไดสไปเปนสนมเหลก Fe2O3.nH2O ดงนน การทดสอบการผกรอนของเหลกจง
ควรตรวจหา OH- และFe2+ ซงมวธตรวจสอบดงน1. การตรวจหา OH- นำาสารทจะทดสอบมาหยดฟนอลฟทาลน ถาไดสชมพแสดงวา สารนนม
OH- 2. การตรวจหา Fe2+ นำาสารทจะทดสอบมาเตมโพแทสเซยมเฮกซะไซยาโนเฟอเรต (III)
K3[Fe(CN)6] แลวเกดตะกอนสนำาเงนของโพแทสเซยมไอรออน (II) เฮกซะไซยาโนเฟอเรต (III) KFe[Fe(CN)6] ดงสมการ
Fe2+ (aq) + K+ (aq) + [Fe(CN)6]3- (aq) KFe[Fe(CN)6] ตะกอนสนำาเงน
การทดลองการผกรอนของเหลก
การทดลองดงรป 17.21 แสดงการผกรอนของเหลก
รปท 17.21 แสดงการทดสอบการผกรอนของเหลก การทดลองในรปท 17.21 ใชสารละลายวน สารละลายนทำาใหรอนแลวเมอเยนลงจะแขงตว สารละลายน
มสาร 2 ชนดผสมอย ดงน
1. โพแทสเซยมเฮกซะไซยาโนเฟอเรต (III) K3[Fe(CN)6] จะเกดตะกอนสนำาเงนขนเมอม Fe2+ อย สารนใชทดสอบ Fe2+
2. ฟนอลฟทาลนเปนอนดเคเตอร จะเกดสารสชมพขนเมอรวมตวกบ OH- ขงใชสารนทดสอบ OH-
วธทดลอง
เทสารละลายวนทมฟนอลฟทาลนและ K3[Fe(CN)6] อยดวย ลงในชามกระเบองทมตะปชนดตาง ๆ ดงรป17.21 เมอเยนลงวนจะแขงตวทงไว 1 -2 วน บนทกผลการทดลอง
รปท 17.22 ผลการทดลองการผกรอนของเหลก
จากผลการทดลองในรป 17.22 สรปไดวา 1. ตะปเหลกทกตวเกดไอรออน (II) ไอออน , Fe2+ และ ไฮดรอกไซดไอออน (OH-)
ยกเวนตะปเหลกทพนดวยแมกนเซยมและสงกะส
2. เมอตะปเหลกพนกบแมกนเซยมและพนสงกะสจะเกด OH- ไอออนไมเกด Fe2+ ไอออน แตจะเกด Mg2+ และ Zn2+ แสดงวา Mg และ Zn ผกรอน
3. ไอรออน (II) ไอออนเกดไดงายขน เมอ หรอเหลกผกรอนไดงายขนเมอ3.1 บรเวณทผวของเหลกแตกหรอหกออก
3.2 เมอเหลกสมผสกบโลหะทมคา E0 สงกวา เชน Cu
การทดลองแสดงธรรมชาตการเกดสนมของเหลกในรปไฟฟาเคม
รปท 17.23 แสดงธรรมชาตของการเกดสนมเหลกการปองกนการผกรอนของโลหะ
1. ทาส ทานำามน หรอทาสารกนสนม
2. ฉาบหรอเคลอบโลหะทสามารถเกดสารเคลอบผวสลายตวยาก เสถยร เชน Al , Sn , และ Cr โดย Al เมอเกดออกไซดจะเคลอบผวโลหะไว ซงเสถยรและสลายตวยาก วธการลกษณะ
นเรยกวา วธอะโนไดซ3. ทำาเปนโลหะผสม เชน การทำาเหลกกลาไรสนม โดยการนำาเหลกไปผสมกบโลหะโครเมยม นกเกล
และ คารบอนในสดสวนทเหมาะสม
4. วธแคโทดก โดยการตอโลหะใหสมผสกบโลหะทมคา E0 ตำากวา (หรอโลหะทเปนตวรดวซทด)
รปท 17.24 Cathodic protection โลหะเหลกสมผสกบโลหะทมความ วองไวทางเคมมาก (E0 ตำา) เชน Zn โลหะนจะเกดปฏกรยาออกซเดชนจงผกรอนแทน
Fe สวน Fe เกดปฏกรยารดกชนโดยมนำา และออกซเจนรบอเลกตรอน ดงนน Fe จงไมผกรอน
รปท 17.25 ทอเหลกผกตดกบโลหะแมกนเซยม (E0 ตำากวา) เปนแอโนด เกดปฏกรยา ออกซเดชน โดยใหอเลกตรอนแทนทอเหลก ดงนน ทอเหลกจงไมผกรอนแตแมกนเซยมผกรอน
17.3.1 การปองกนการผกรอนดวยวธอะโนไดซและรมดำา โลหะบางชนดมสมบตพเศษ คอ ทำาปฏกรยากบออกซเจนเกดออกไซดของโลหะ (สนมของโลหะ) ออกไซดน
จะแผเปนฟลมบาง ๆ เคลอบบนผวโลหะ มความเสถยรและไมละลายนำา จงปองกนไมใหเกดการผกรอนอกตอไป เพราะ ออกซเจนและนำา หรอสารตาง ๆ ไมสามารถซมผานเขาไปได โลหะทมสมบตดงกลาว ไดแก Al , Sn ,
Cr , Zn เนองจากในธรรมชาตการเกดออกไซดของโลหะเกดชาไมสมำาเสมอ จงตองใชวธการอะโนไดซ เพอทำาใหเกดออกไซดของโลหะเคลอบเรวและสมำาเสมอ
การทำาอะโนไดซโลหะอลมเนยม
ใชกระบวนการอเลกโทรลซสสารละลายกรดโดยใช Al เปนขว ม 3 ขนตอนดงนขนท 1 การเตรยมชนงาน Al ทจะอะโนไดซ
1. การเตรยมสารละลายสำาหรบลางไขมน เปนสารละลายผสมทเตรยมจากการใชโซเดยม
ฟอสเฟต 5 g และโซเดยมซลเกต 1.5 g ละลายนำาใหเปนสารละลาย 1 dm3
2. แชชนงาน Al ลงในสารละลายสำาหรบลางไขมนท90 - 95 0C เปนเวลา 3 นาท แลวนำาชนงานลางนำาใหสะอาด
3. ขดชนงาน Al ใหสะอาดดวยกระดาษทราย แลวนำาไปแชในสารละลาย NaOH เขมขน 2.5 mol/dm3 เปนเวลา 2 นาท ถาชนงาน Al ดำาใหใชสำาลเชดออก
แลวลางนำาใหสะอาด
4. นำาชนงานไปลางไขมนออกในสารละลายในสารละลายสำาหรบลางไขมนท 90 - 95 0C แกวงชนงาน Al ในสารละลายไปมา แตอยานานเพราะจะทำาใหชนงานดำาอก แลวลาง
นำา เชดใหสะอาดและแหง หรอผงใหแหงกได
ขนท 2 การทำาอะโนไดซแผน Al
รปท 17.26 อปกรณการทำาอะโนไดซแผนอลมเนยม1. การเตรยมสารละลายสำาหรบทำาอะโนไดซ เปนสารละลายผสมของกรดซลฟวรก
(H2SO4) เขมขน 18 mol/dm3 ปรมาตร 100 cm3 กบกรด ออกซาลก (H2C2O4) 50 g. ละลายนำาทำาใหเปนสารละลายปรมาตร 1 ลตร
2. จดอปกรณดงรป 17.26 ผานกระแสไฟฟากระแสตรงทมแรงเคลอนไฟฟา 12 V ประมาณ 15 นาท แลวกลบดานของแผนชนงาน Al ทแอโนด แลวผานกระแส
ไฟฟาตออก 15 นาท เพอใหชนงานถกอะโนไดซทวแผน จะพบวาชนงาน Al จะม Al2O3 ไปเคลอบเปนแผนฟลมบาง ๆ ทวทงแผน
3. นำาชนงานทอะโนไดซแลวมาลางนำาใหสะอาด เชดใหแหง นำาไปทดสอบการนำาไฟฟา ถาไมนำา
ไฟฟาแสดงวาเกดอะโนไดซทวทงแผนแลว เพราะสารประกอบ Al2O3 เปนสารประกอบไอออนกทไมนำาไฟฟา
อธบาย การอะโนไดซ Al ดวย Al2O3 โดยใชหลกการอเลกโทรลซส ดงน
เมอผานกระแสไฟฟากระแสตรงลงในสารละลายกรดผสมระหวาง H2SO4 + H2C2O4 เกดปฏกรยาให OH- ไอออนเกดขน โดยมแผน Al 2 แผนเปนขว โดยมชนงาน Al เปนขวแอโนด และ
แผน Al อกแผนเปนขวแคโทด
ปฏกรยาทขวแอโนด ; OH- ถกออกซไดซเกด O2 และ O2 จะไปออกซไดสชนงาน Al ตอ เกด Al2O3 แผเปนแผนฟลมบาง ๆ ปฏกรยาเปนดงน
4OH- (aq) O2 (g) + 2H2O (l) + 4e-
4Al (s) + 3O2 (g) 2Al2O3 (s)ปฏกรยาทขวแคโทด ; H+ จากกรดถกรดวซเปนกาซ H2 ทขว แผน Al ไม
เปลยนแปลง
2H+ (aq) + 2e- H2 (g)
ขนท 3 การยอมส นำาชนงาน Al ทอะโนไดสแลวไปแชในสารละลายของผงสเขมขน 0.1 - 10.0 %
โดยมวลท 50 - 60 0C เปนเวลา 10 -20 นาท นำาชนงาน Al นไปลางใหสะอาด เชดใหแหง จะได
ชนงาน Al ทอะโนไดซตามตองการ
การรมดำาแผนโลหะ การรมดำาแผนโลหะ เปนการปองกนการผกรอนของโลหะอกวธหนง โดยการเคลอบสารสดำาทแผนโลหะ โดย
ใชความรอน การรมดำาโลหะแบงออกเปน 3 ขนตอนดงน ขนท 1 การเตรยมชนงาน
ขดชนงานดวยกระดาษทรายชนดละเอยด ลางชนงานดวยไตรคลอโรเอทลน 2 นาท ใชผาหรอ สำาลเชดชนงานใหสะอาด แลวลางไตรคลอโรเอทลนอกครงหนง
ขนท 2 การเตรยมสารละลายรมดำา ผสม NaOH 375 กรม กบ NaNO3 125 กรม ลงในนำาแลวทำาใหเปน
สารละลาย 1 ลตร ขนท 3 การรมดำาชนงาน
นำาแผนโลหะทเปนชนงานไปแชในสารละลายสำาหรบรมดำาท 136 -143 0C จะไดสารส ดำาเกาะเคลอบทผวชนงาน นำาชนงานทไดไปลางใหสะอาด เชดใหแหง ทานำามนใหทวเพอใหขนเปนมนเงาเกดความ
สวยงาม
แบบทดสอบท 17.3 ขอ 1. สมบตของเหลกและดบกถกทดสอบดวยการทดลอง 2 การทดลอง และบนทกการทดลองได
ดงนการทดลอง ผลการทดลอง
1. ผงดบกจากการตะไปโลหะดบกลงในสารละ ลายไอรออน (II) คลอไรด
ไมพบการเปลยนแปลงใด ๆ
2. ผงตะไปเหลกผสมกบสารละลายดบก (II) คลอไรด
เกดตะกอนของแรดบก
จากผลการทดลอง จงตอบคำาถามตอไปน
ก. เพราะเหตใดกระปองเหลกทเคลอบดวยดบกเพอใชเกบอาหารตาง ๆ จงไมผกรอนทง ๆ ท ดบก สามารถรบอเลกตรอนจากโลหะเหลกได
ข. เพราะเหตใดจงใชดบกเคลอบกระปองเหลกค. ถาพนทผวของดบกทเคลอบกระปองเหลกแตกออกถงเนอเหลกภายใน จะมผลทำาใหเกดการ
เปลยนของเหลกหรอไม อยางไร ถาม จงเกดปฏกรยาทเกดขนดวย
ขอ2 ก. กรดชนดใดบางทสามารถทำาใหทองแดงเกดการผกรอนได ข. เพราะเหตใดอะลมเนยมซงเปนโลหะทมความวองกนในการเกดปฏกรยาเคมมากกวาเหลก แต
เกดการผกรอนชากวาเหลก
ค. เพราะเหตใดเรอเดนทะเลจงเกดการผกรอนเรวกวาเรอทแลนในนำาจด
ง. นกเรยนคนหนงจดอปกรณเพอทำาการทดลองดงตอไปน
การทดลองใดทโลหะเหลกจะเกดการผกรอนเรวทสด เพราะเหตใด
ขอ 3. โลหะเงนจะเกดการผกรอนไดเมอรวมตวกบซลไฟดในอากาศเกดสารสเทาดำาเรยกวา Tarnished silver หรอเรยกวาเงนหมอง ซงเปน ซวเวอรซลไฟต (Ag2S) Tarnished silver นสามารถถกลางออกจากภาชนะเงนไดโดยใสลงไปในอางอลมเนยมทมสารอเลกโทรไลตทไมมสวนในการ
เกดปฏกรยา เชน NaCl (aq) จงอธบายกระบวนการทเกดขนนโดยใชหลกการทางไฟฟาเคม กำาหนดคา E0 ของปฏกรยาครงเซลลดงน
Ag2S (s) + 2e- 2Ag (s) + S2- (aq) E0 = -0.71 V
Al3+ (aq) + 3e- Al (s) E0 = -1.706 V
ขอ4. เมอทำาการทดลองดงรป
กำาหนด Y2+ (aq) + 2e- Y(s) E0 = -0.25 V
X2+ (aq) + 2e- X (s) E0 = -0.44 V
ก. โลหะใดเกดการผกรอนข. จงบอกวธในการปองกนการผกรอนของโลหะ
ขอ5. กำาหนดศกยไฟฟามาตรฐานของครงเซลลรดกชน ดงน
ปฏกรยารดกชน E0 (V)O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- 4OH- (aq)
+0.40Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s) +0.34Fe2+ (aq) + 2e- Fe (s) -0.44Zn2+ (aq) + 2e- Zn (s) -0.76
ในการทดลองภาวะตาง ๆ ของตะปเหลกการทดลองท วธทดลอง
1 ใสตะปเหลกในนำา โดยมนำาทวมครงหนงของตะปเหลก
2 ตอตะปเหลกกบสงกะส แลวแชในบกเกอรทมนำา โดยใหปลายดานทไมตอกบสงกะสอยพนผวนำา
3 ตอตะปเหลกกบทองแดง แลวแชในบกเกอรทมนำา โดยใหปลายดานทไมตอกบทองแดงอยพนผวนำา
4 แชตะปเหลก โดยใหครงหนงอยพนผวนำา และตอปลายทพนผวนำาเขากบขวลบของถานไฟฉาย
จงตอบคำาถามตอไปน
ก. ในการทดลองทหนง จะเกดการเปลยนแปลงหรอไม ถามใหเขยนสมการแสดงปฏกรยาทเกดขนดวย
ข. ในปฏกรยาการผกรอนของเหลกสารใดเปนตวออกซไดส และตวรดวซ
ค. การทดลองใดเปนการปองกนการผกรอนของเหลกดวยวธแคโทดกง. การทดลองใดทตะปเหลกมการผกรอน
ขอ 6. เมอผานกระแสไฟฟาลงในเซลลไฟฟาเคมดงรป จะเกดฟองผดรอบ ๆ เสนลวดอะลมเนยม และ แผนอะลมเนยมททำาความสะอาดแลว ปรากฏวาเกดสารสขาวไปเคลอบบนแผนอะลมเนยมนดวย
แอโนด ; 4OH- (aq) O2 (g) + 2H2O (l) + 4e-
แคโทด ; 2Al (s) + 3/2 O2 (g) Al2O3จงตอบคำาถามตอไปน
ก. ………………………กระบวนการทเกดขนนเรยกวา
ข. ครงปฏกรยาทเกดขนในแตละขว คอ ……………………………………………………แอโนด
……………………………………………………แคโทด .ค. …………………………………………ทขวแอโนดเกดสารใด ..
เฉลยแบบทดสอบท 17.3 เฉลยขอ 1. จากขอมลการทดลองวเคราะหและสรปไดดงน
การทดลองท ผลการวเคราะหผลการทดลอง สรปผลการทดลอง
12
Sn + Fe2+ ไมเกดปฏกรยา
Fe + Sn2+ Fe2+ + Sn (ตะกอนสเทา
Fe2+ ชงอเลกตรอนจาก Sn ไมได
Sn2+ ชงอเลกตรอนของ Fe ได
อาศยขอมลขางตน จงสามารถสรปไดวา Sn2+ ชงอเลกตรอนไดดกวา Fe 2+ ก. จากการทดลองจะเหนวาดบกทเคลอบอยบนผวของกระปองเหลก สามารถทำาใหเหลกเกดการผกรอนได
แตในความเปนจรงกระปองเหลกไมเกดสนมขน ทงนเพราะ ดบกทเคลอบผวกระปองเหลกอยนนเกดเปนสารประกอบ
ออกไซด SnO ทเสถยรและไมละลายนำา ซงจะเคลอบเปนฟลมบาง ๆ เกาะทผวโลหะนนกนไมใหนำา และออกซเจนซมเขาไปทำาปฏกรยากบเหลกและเกดการผกรอนได
ข. 1. เพราะดบกเปนโลหะทหาไดงาย ราคาไมแพง2. ดบกสามารถเกดเปนสารประกอบออกไซดเคลอบผวโลหะไดแนน ปองกนนำาและออกซเจนสมผสกบ
เหลกได
ค. ถากระปองเหลกเกดรอยแยก หรอแตก จะทำาใหกระปองเหลกเกดการผกรอนเรวและมากขน เพราะ Sn2+ สามารถชงอเลกตรอนไดดกวา Fe2+ (Sn2+ มคาE0 > Fe2+ )
เฉลยขอ 2 ก. กรดทสามารถทำาใหโลหะทองแดงผกรอนได เชน กรด HNO3 เจอจาง , HClO4 ,
HClO , HClO2 HClO3 ข. Al แมวาจะมคาศกยไฟฟาครงเซลลมาตรฐานนอยกวา Fe แตผกรอนชากวา Fe เพราะวา
Al สามารถรวมตวกบกาซออกซเจนในอากาศเกดเปนสารประกอบออกไซด Al2O3 เคลอบผว ซงออกไซดน
เปนออกไซดทมความเสถยร ไมละลายนำา สารตาง ๆ ซมผานเขาไปในเนอของ Al ไมได Al จงไมผกรอน สวน Fe รวมตวกบกาซออกซเจน และนำา เกดเปนสนมเหลก ไมเกาะเคลอบผว Fe ทำาให Fe มรอยและรพรน
มากขน จงผกรอนไดเรวยงขน
ค. เรอเดนทะเลเกดการผกรอนเรวกวาเรอทแลนในนำาจด เพราะเรอเดนทะเลอยในนำาเคมม NaCl ซง เปนสารละลายอเลกโตรไลตทด และ Cl- เปนตวเรงปฏกรยาในการเกดสนมเหลกในเรอเดนทะเล ดงนน จงผกรอน
เรว สวนเรอในนำาจดไมมเกลอ จงเกดการผกรอนชากวา
ง. ทกบกเกอรโลหะ Fe จมอยในนำา และสมผสกบออกซเจนในอากาศ จงผกรอนทกบกเกอร และพบวา
บกเกอร A มSn สมผสกบ Fe ซง Sn นมคา E0 มากกวาเหลก ดงนน จงทำาใหเหลกเกดการผ กรอนมากเรวขนกวาในบกเกอรอน ๆ
เฉลยขอ 3. เนองจากคา E0 ของ Ag2S สงกวา E0
ของ Al ดงนน Ag2S จงชงอเลกตรอนของอลมเนยมไดใน
สารละลาย NaCl ทเปนสารอเลกโทรไลตเฉอย เกด Ag (s) สวน Al จะผกรอนเปน Al3+ ซงอธบายในรปเซลลกลวานก
ปฏกรยาเคมทเกดขนแสดงไดดงสมการตอไปน
ปฏกรยารดกชน ; Ag2S (s) + 2e- 2Ag (s) + S2- (aq) E0
= -0.71 V ปฏกรยาออกซเดชน ; Al (s) Al3+ (aq) + 3e- E0 =
+1.706 V ปฏกรยาสทธ ; 3 Ag2S (s) + 2 Al (s) 6 Ag (s) + 3 S2-
(aq) + 2Al3+ (aq) , 0cellE = 0.996 V
เฉลยขอ 4. ก. จากรปโลหะ Y พนตะป X จะพบวาคา E0 ของ X ตำากวาของ Y ดงนนตะป X จะผ
กรอน โลหะ X จะทำาปฏกรยากบออกซเจนและนำา ในอากาศเกดออกไซดของ X จงเรยกกระบวนการนวา การเกดสนม
ข. วธปองกนการผกรอน เชน การทาส ทานำามน ทาสารกนสนม เคลอบพลาสตก หรอใหสมผสกบ
โลหะทมคา E0 ตำากวา เฉลยขอ 5. ก. การทดลองท 1 เกดสารสนำาตาลแดงเกาะทบรเวณของตะปเหลกทเปนรอยตอระหวางนำากบ
ออกซเจนในอากาศ ปฏกรยาทเกดขนเปนดงน
ปฏกรยาออกซเดชน Fe (s) Fe2+ (aq) + 2e-
ปฏกรยารดกชน O2 (g) + 2H2O (l) + 2e- 4OH- (aq) ปฏกรยาสทธ ; 2Fe (s) + O2 (g) + 2H2O(l) 2Fe2+
(aq)+4OH-(aq)4Fe(OH)2 (s) + O2 (g) + 2H2O (l)
4Fe (OH)3 (s)2Fe (OH)3 (s) Fe2O3 . H2O (s) +
2H2O (l) สนมเหลกข. Fe เปนตวรดวซ และ O2 เปนตวออกซไดซ
ค. การทดลองท 2 Zn ตอกบ Fe Zn ปองกนการผกรอนของ Fe ได เพราะ Zn มคา E0 ตำากวา Fe
ง. การทดลองท 1, 3
การทดลองท 3 Fe ผกรอน เพราะ Cu ตอกบ Fe นอกจาก Cu ไมไดปองกนการผ กรอน และยงทำาใหเหลกเกดการผกรอนเรวขนอกดวย เพราะ Cu มคา E0 (+0.34) สงกวาเหลก
(-0.409)
เฉลยขอ 6. ก. การอะโนไดซข. แอโนด ; 4OH- (aq) O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- และ
4Al (s) + 3O2 (g) 2Al2O3 (s) แคโทด ; 4H+ (aq) + 4e- 2H2 (g)ค. เกด Al2O3 เคลอบผว
17.4. ความกาวหนาทางเทคโนโลยทเกยวของกบเซลลไฟฟาเคม หลกการของเซลลไฟฟาเคมสามารถนำามาใชประโยชนตาง ๆ ไดมากมาย และปจจบนมการพฒนาเทคโนโลยให
กาวหนาเพมขนอยตลอดเวลา เชน การทำาอเลกโทรไดอะลซส และการทำาเซลลเชอเพลง
17.4.1 การทำาอเลกโทรไดอะลซสนำาทะเล เนองจากนำาทะเลมอยประมาณ 72 % ของพนทโลก ดงนน จงพบสวนทเปนนำาจดนอย นำา
ทะเลในมหาสมทรมเกลอละลายอย 3.5 % โดยมวล และความเขมขนจะเพมขนทกป ไอออนตาง ๆ ทพบในนำาทะเลแสดงไดดงน
ตารางท17.5 ไอออนทพบในนำาทะเลทความเขมขนมากกวา 0.001 g / kgไอออน ปรมาณทพบ (g / kg)Cl-
Na+
SO42-
Mg2+
Ca2+
19.3510.762.711.290.41
K+
HCO3- , CO3
2-
Br-
H2BO3-
Sr2+
F-
0.400.1060.0670.0270.0080.001
การทำานำาทะเลใหเปนนำาจดม 3 วธ คอ
1. Electrodialysis เปนการแยกไอออนของเกลอออกจากนำาทะเลดวยไฟฟากระแสตรง
2. Solar Distillation เปนการกลนนำาทะเลดวยพลงงานแสงอาทตย3. Reverse Osmosis เปนกระบวนการใหโมเลกลของนำาผานเยอบาง ๆ
ไปมาดวยแรงดนออสโมซส
การทำาอเลกโทรไดอะลซสนำาทะเล อเลกโทรไดอะลซส เปนเซลลอเลกโทรไลตชนดหนงทมประโยชนใชแยกไอออนออกจากสารละลาย โดยให
ไอออนผานแผนเยอบาง ๆ (Semipermeable membrane) ไปยงขวไฟฟาทมประจตรง ขาม ทำาใหสารละลายทอยระหวางขวไฟฟาจะมความเขมขนของไอออนลดลง โดยหลกการนสามารถนำาไปใชแยก
โซเดยมไอออน และคลอไรดไอออนออกจากนำาทะเลได ซงเปนวธในการผลตนำาจดจากนำาทะเลวธหนง
รปท 17.27 เซลลอเลกโทรไดอะลซสทำานำาทะเลใหเปนนำาจด
17.4.2 เซลลเชอเพลง (Fuel cell) เซลลเชอเพลง เปนเซลลกลวานกชนดหนงทใชสารเชอเพลงทำาปฏกรยากบกาซออกซเจนแลวได
กระแสไฟฟา เขยนเปนแผนภาพดงน
สารเชอเพลง + กาซออกซเจน สารผลตภณฑ
สารเชอเพลง เชน กาซไฮโดรเจน , ไฮโดรคารบอน เชน CH4 , C3H8 , เมทานอล (CH3OH)
สวนประกอบของเซลลเชอเพลง
1. ขวไฟฟา ใชขวเฉอย 1.1 ขวแอโนด เปนขวเฉอยทผานสารทเปนเชอเพลงลงไปแลวเกดปฏกรยาออกซเดชน ทขวน
อเลกตรอนจะไหลออก จดเปนขวลบ1.2 ขวแคโทด เปนขวเฉอยทผานกาซออกซเจน ลงไป และเกดปฏกรยารดกชน มอเลกตรอน
ไหลเขา จดเปนเปนขวบวก
2. สารละลายอเลกโทรไลต สวนมากเปนสารละลายกรดแก และเบสแก
ประโยชนของเซลลเชอเพลง1. เปนแหลงพลงงานในยานอวกาศ2. ในทางการแพทยใชเซลลเชอเพลงเปนแหลงใหกระแสไฟฟาในเครองมอทชวยในการทำาให
หวใจเตนเปนปกตสำาหรบผทเปนโรคหวใจ และใชเปนแหลงกระแสไฟฟาในเครองชวยการฟงของผพการทางห
3. ใหพลงงานทมประสทธภาพสงกวาพลงงานทไดจากเครองยนตสนดาปภายใน เพราะไมมการสญเสยพลงงานไปกบแรงเสยดทานจากเครองยนต
เซลลเชอเพลงไฮโดรเจน - ออกซเจน เซลลเชอเพลงชนดนทำาใหเกดกระแสไฟฟาขนจากปฏกรยาระหวางกาซไฮโดรเจนทเปนเชอเพลง กบ
กาซออกซเจน ทำาใหเกดพลงงานไฟฟาและนำาขนสวนประกอบของเซลล
1. ขวไฟฟา 1.1 แอโนด เปนขวเฉอยทมรพรน ๆ ทผสมดวย Pt หรอ Pd เปนตวเรงปฏกรยา
แลวผานกาซไฮโดรเจนลงไป เกดปฏกรยาออกซเดชนกบ OH- ใหอเลกตรอนไหลออก จดเปนขวลบ
1.2 แคโทด เปนขวเฉอยมรพรน ๆ ทผสมดวย C , Pt หรอ Ag เปนตวเรง ปฏกรยาแลวผานกาซออกซเจน ลงไปเกดปฏกรยารดกชนกบนำา ทำาใหอเลกตรอนไหลเขา จด
เปนขวบวก
2. สารละลายอเลกโทรไลต เชน สารละลาย KOH หรอ NaOH 25% โดยมวล
รปท 17.28 แผนภาพเซลลเชอเพลง H2/O2 เซลลเชอเพลงนอาศยหลกการให กาซไฮโดรเจนทำาปฏกรยากบกาซออกซเจน เกดเปน นำา ปฏกรยา
ทเกดขนแสดงใหเหนไดดงน
แอโนด ; H2 (g) จะแพรผานเขาทผวของขว โดยมตวเรงปฏกรยาทำาใหกาซไฮโดรเจนแตดตวเปน H อะตอม แลวทำาปฏกรยากบ OH- ของสารอเลกโทรไลตเกดนำาขน
H2 (g) กรยาตวเรงปฎ 2H (g)2H (g) + 2OH- (aq) 2H2O + 2e-
ปฏกรยารวมทขวแอโนด ; H2 (g) +2OH- (aq) 2H2O + 2e- E0
= 0.83 V
แคโทด ; อเลกตรอนทเกดขนผาจากขวแอโนดไปตลอดยงขวแคโทด กาซออกซเจน ถกดดเขาไปทผว
แคโทด และถกรดวซ เปน OH- ดงนO2 (g) + 2H2O (l) + 4e- 4OH- (aq) E0
= 0.40 Vปฏกรยาสทธของเซลลคอ
H2 (g) + O2 (g) 2H2O E0 = 1.23 V
เซลลเชอเพลงชนดนไมกอใหเกดมลภาวะแกสงแวดลอม เพราะเกดไอนำา มประสทธภาพในการใชงานสงมาก ใชประโยชนในยานอาวกาศ เพราะใหพลงงานไดอยางตอเนอง และนำาทเกดขนสามารถใชดมได
เซลลเชอเพลงโพรเพน - ออกซเจน เซลลเชอเพลง โพรเพน/ ออกซเจน นเปนเซลลเชอเพลงททำาใหเกดกระแสไฟฟาขนจากปฏกรยา
ระหวางกาซโพรเพน (C3H8 ) กบกาซออกซเจน เกด CO2 และ นำา
รปท 17.29 แผนภาพแสดงเซลลเชอเพลงโพรเพน - ออกซเจนสวนประกอบของเซลล
1. ขวไฟฟาเฉอย 1.1 เปนขวเฉอยท C3H8 เกดปฏกรยาออกซเดชนชนกบ H2O ได CO2 และ
H+ ทำาใหเกดอเลกตรอนไหลออกจากขว จดเปนขวลบ
1.2 แคโทด เปนขวเฉอย ออกซเจนเกดปฏกรยารดกชนกบ H+ ได นำา (อเลกตรอนไหล เขา จดเปนขวบวก)
2. สารละลายอเลกโทรไลต ไดแก กรดแกเขมขน เชน H2SO4 หรอ H3PO4
ปฏกรยาทเกดขนเปนดงน
แอโนด ; C3H8 (g) + 6H2O 3CO2 (g) + 20H- + 20e-
แคโทด ; 5O2 (g) + 20H- (aq) + 20e- 10H2O (l) ปฏกรยาสทธ ; C3H8 (g) + 5O2 (g) 3CO2 (g) + 10H2O (l)
เซลลเชอเพลงนมประสทธภาพเปน 70 % และประสทธภาพในการทำางานสงประมาณ 2 เทาของ เครองยนตสนดาปภายใน แตเซลลชนดนกอใหเกดมลพษตออากาศ คอเกดกาซ CO2 (g)
แบบทดสอบท17.4
1.เซลลกลวานกชนดหนงเกดปฏกรยาดงน แอโนด ; CH4 (g) + 2H2O CO2 (g) + 8H+ (aq)
+ 8e- E0 = -0.169 V แคโทด ; 2O2 (g) + 8H+ (aq) + 8e- 4H2O
E0 = +1.229 Vจงตอบคำาถามตอไปน
ก. บอกประเภทของเซลลกลวานกข. เขยนสมการสทธของปฏกรยานค. หาคาศกยไฟฟามาตรฐานของเซลลนง. บอกมลภาวะทอาจจะเกดขนจากเซลลกลวานกน
2. จากศกยไฟฟามาตรฐานของครงเซลลท 25 องศาเซลเซยส ขางลาง จงคำานวณหาศกยไฟฟา
มาตรฐานของเซลลเชอเพลงไฮโดรเจน - ออกซเจน ( หนวยเปน V)ปฏกรยา E0 (V)
O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- H2O 1.23O2 (g) + 2H2O + 4e- 4OH- (aq) 0.402H+ (aq) + 2e- H2 (g) 0.002H2O + 2e- H2 (g) + 2OH- (aq) -0.83
3. สารละลายผสมประกอบดวย MgCl2 MgSO4 CaCl2 NaCl และนำาทง จากโรงงานอตสาหกรรมปรมาณมาก ถาตองการทำาแยกตวถกละลายตาง ๆ ออกจากนำาควรทำาการอเลกโทรลซสอยาง
ไร เขยนแผนภาพแสดงการแยกสงเหลานออกจากนำาดวย เรยกกระบวนการนวาอยางไร
4. เซลลเชอเพลงไฮโดรเจน - ออกซเจน มปฏกรยาครงเซลลดงน
แอโนด ; H2 (g) + 2OH- (aq) 2H2O (l) + 2e-
แคโทด ; O2 (g) + 2H2O (l) + 4e- 4OH- (aq)ก. เซลลเชอเพลงเปนเซลลไฟฟาเคมประเภทใด
ข. ประโยชนของเซลลไฮโดรเจน- ออกซเจนมอะไรบาง
เฉลยแบบทดสอบท17.4 เฉลยขอ 1. ก. เซลลเชอเพลงมเทน - ออกซเจนข. CH4
(g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2Oค. เทากบ 1.06 Vง. มลภาวะทเกดขนคอ CO2
เฉลยขอ 2. 0cellE = 1.23 โวลต
เฉยลขอ 3 . แผนภาพแสดงไดดงน
เรยกระบวนการนวา อเลกโทรไดอะลซส
เฉลยขอ 4. ก. เปนเซลลกลวานกชนดหนงข. ประโยชน เชน เปนแหลงพลงงานในยานอวกาศในทางการแพทยใชเซลลเชอเพลงเปนแหลงใหกระแสไฟฟาในเครองมอทชวยในการทำาใหหวใจเตน
เปนปกตสำาหรบผทเปนโรคหวใจ และใชเปนแหลงกระแสไฟฟาในเครองชวยการฟงของผพการทางห
**end**