- ชิ้นส่วนของเซลล์กัลวานิก
- ทำงาน
- ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นและการรีดิวซ์
- สะพานเกลือ
- ศักยภาพในการออกซิเดชั่นและการลด
- การแสดงสัญลักษณ์ของเซลล์กัลวานิก
- การประยุกต์ใช้งาน
- เซลล์กัลวานิกในชีวิตประจำวัน
- การสร้างเซลล์กัลวานิกแบบโฮมเมด
- วัสดุ
- กระบวนการ
- อ้างอิง
เซลล์ไฟฟ้าหรือเซลล์ฟ้เป็นชนิดของเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ประกอบด้วยโลหะสองแตกต่างกันแช่อยู่ในสองครึ่งเซลล์ซึ่งเป็นสารประกอบในการแก้ปัญหาเปิดใช้งานเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเอง
จากนั้นโลหะหนึ่งในครึ่งเซลล์จะถูกออกซิไดซ์ในขณะที่โลหะในอีกครึ่งเซลล์จะลดลงทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนผ่านวงจรภายนอก ทำให้สามารถใช้ประโยชน์จากกระแสไฟฟ้าได้
รูปที่ 1. โครงร่างและชิ้นส่วนของเซลล์กัลวานิก ที่มา: corinto.pucp.edu.pe.
ชื่อ "เซลล์กัลวานิก" เป็นเกียรติแก่หนึ่งในผู้บุกเบิกการทดลองเกี่ยวกับไฟฟ้า: Luigi Galvani แพทย์และนักสรีรวิทยาชาวอิตาลี (1737-1798)
กัลวานีค้นพบในปี 1780 ว่าหากเชื่อมต่อสายเคเบิลของโลหะที่แตกต่างกันที่ปลายด้านหนึ่งและปลายด้านที่ว่างถูกนำไปสัมผัสกับพวงของกบ (ที่ตายแล้ว) จะเกิดการหดตัว
อย่างไรก็ตามคนแรกที่สร้างเซลล์ไฟฟ้าเคมีเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าคือชาวอิตาลี Alessandro Volta (1745-1827) ในปี 1800 และด้วยเหตุนี้จึงเป็นชื่อทางเลือกของเซลล์โวลตาอิก
ชิ้นส่วนของเซลล์กัลวานิก
ชิ้นส่วนของเซลล์กัลวานิกแสดงในรูปที่ 1 และมีดังนี้:
1.- ขั้วบวกขั้วบวก
2. - อิเล็กโทรดขั้วบวก
3. - สารละลายอโนไดซ์
4.- แคโทด semicell
5.- ขั้วแคโทด
6.- สารละลายคาโธดิก
7.- สะพานน้ำเกลือ
8.- ตัวนำโลหะ
9. - โวลต์มิเตอร์
ทำงาน
เพื่ออธิบายการทำงานของเซลล์กัลวานิกเราจะใช้เซลล์ที่ต่ำกว่า:
รูปที่ 2. แบบจำลองการสอนของเซลล์กัลวานิก ที่มา: slideserve.com
แนวคิดพื้นฐานของเซลล์กัลวานิกคือโลหะที่ผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชั่นจะถูกแยกออกจากโลหะที่ลดลงในลักษณะที่การแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นผ่านตัวนำภายนอกที่อนุญาตให้ใช้ประโยชน์จากการไหลของกระแสไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นการเปิดหลอดไฟหรือไฟ LED
ในรูปที่ 2 ครึ่งเซลล์ด้านซ้ายมีเทปโลหะทองแดง (Cu) แช่อยู่ในสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต (CuS0 4 ) ในขณะที่ครึ่งเซลล์ด้านขวามีเทปสังกะสี (Zn) ฝังอยู่ สารละลายสังกะสีซัลเฟต (ZnSO 4 )
ควรสังเกตว่าในแต่ละเซลล์ครึ่งเซลล์โลหะแต่ละชนิดมีอยู่ในสถานะออกซิเดชันสองสถานะ: อะตอมของโลหะที่เป็นกลางและไอออนของโลหะของเกลือของโลหะชนิดเดียวกันในสารละลาย
หากเทปโลหะไม่ได้เชื่อมต่อด้วยลวดนำไฟฟ้าด้านนอกโลหะทั้งสองจะถูกออกซิไดซ์แยกกันในเซลล์ของมัน
อย่างไรก็ตามเนื่องจากมีการเชื่อมต่อด้วยไฟฟ้าจึงเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นใน Zn ในขณะที่ปฏิกิริยารีดักชันใน Cu เนื่องจากระดับของการเกิดออกซิเดชันของสังกะสีมีค่ามากกว่าทองแดง
โลหะที่ถูกออกซิไดซ์จะให้อิเล็กตรอนกับโลหะที่ลดลงผ่านตัวนำด้านนอกและการไหลของกระแสนี้สามารถควบคุมได้
ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นและการรีดิวซ์
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทางด้านขวาระหว่างอิเล็กโทรดโลหะสังกะสีและสารละลายสังกะสีซัลเฟตในน้ำมีดังนี้:
Zn o (s) + Zn 2+ (SO 4 ) 2- → 2 Zn 2+ (ac) + (SO 4 ) 2- + 2 e -
อะตอมสังกะสี (ของแข็ง) บนพื้นผิวของขั้วแอโนดในครึ่งเซลล์ด้านขวากระตุ้นโดยไอออนบวกของสังกะสีในสารละลายให้อิเล็กตรอนสองตัวและแยกออกจากอิเล็กโทรดผ่านเข้าไปในสารละลายในน้ำเป็นไอออนบวกคู่ของ สังกะสี.
เราตระหนักดีว่าผลลัพธ์สุทธิคืออะตอมของสังกะสีที่เป็นกลางจากโลหะโดยการสูญเสียอิเล็กตรอนสองตัวกลายเป็นสังกะสีไอออนที่เพิ่มเข้าไปในสารละลายเพื่อให้แท่งสังกะสีสูญเสียอะตอมหนึ่งตัวและ สารละลายได้รับไอออนคู่บวก
อิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจะชอบเคลื่อนที่ผ่านลวดด้านนอกเข้าหาโลหะของครึ่งเซลล์ที่มีประจุบวกอื่น ๆ (แคโทด +) แท่งสังกะสีกำลังสูญเสียมวลเมื่ออะตอมค่อยๆผ่านเข้าไปในสารละลายที่เป็นน้ำ
สังกะสีออกซิเดชันสามารถสรุปได้ดังนี้:
Zn o (s) → Zn 2+ (ac) + 2 e -
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทางด้านซ้ายจะคล้ายกัน แต่ทองแดงในสารละลายในน้ำจะจับอิเล็กตรอนสองตัว (จากอีกครึ่งเซลล์) และสะสมไว้ที่อิเล็กโทรดทองแดง เมื่ออะตอมรับอิเล็กตรอนจะมีการลดจำนวนลง
ปฏิกิริยาการลดทองแดงเขียนไว้ดังนี้:
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu o (s)
แท่งทองแดงกำลังมีมวลเพิ่มขึ้นเนื่องจากไอออนของสารละลายผ่านไปที่แท่ง
ออกซิเดชันเกิดขึ้นที่ขั้วบวก (ขั้วลบ) ซึ่งขับไล่อิเล็กตรอนในขณะที่การลดลงเกิดขึ้นที่ขั้วลบ (บวก) ซึ่งดึงดูดอิเล็กตรอน การแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นผ่านตัวนำด้านนอก
สะพานเกลือ
สะพานเกลือจะปรับสมดุลของประจุไฟฟ้าที่สะสมในครึ่งเซลล์ทั้งสอง ไอออนบวกจะสะสมอยู่ในครึ่งเซลล์ขั้วบวกในขณะที่ในเซลล์คาโธดิกจะยังคงมีไอออนซัลเฟตที่เป็นลบอยู่มากเกินไป
สำหรับสะพานเกลือจะใช้สารละลายของเกลือ (เช่นโซเดียมคลอไรด์หรือโพแทสเซียมคลอไรด์) ที่ไม่เข้าไปแทรกแซงในปฏิกิริยาซึ่งอยู่ในท่อรูปตัวยูคว่ำที่ปลายของมันเสียบกับผนังของวัสดุที่มีรูพรุน
จุดประสงค์เดียวของสะพานเกลือคือเพื่อให้ไอออนกรองเข้าไปในแต่ละเซลล์ปรับสมดุลหรือทำให้ประจุส่วนเกินเป็นกลาง ด้วยวิธีนี้การไหลของกระแสจะเกิดขึ้นผ่านสะพานเกลือผ่านไอออนของเกลือซึ่งจะปิดวงจรไฟฟ้า
ศักยภาพในการออกซิเดชั่นและการลด
ศักยภาพในการเกิดออกซิเดชั่นและการลดมาตรฐานเป็นที่เข้าใจกันว่าเกิดขึ้นที่ขั้วบวกและแคโทดที่อุณหภูมิ25ºCและด้วยสารละลายที่มีความเข้มข้น 1M (หนึ่งโมลาร์)
สำหรับสังกะสีมีศักย์ออกซิเดชั่นมาตรฐานคือ E ox = +0.76 V. ในขณะที่ศักยภาพในการลดมาตรฐานของทองแดงคือ E red = +0.34 V. แรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) ที่เกิดจากเซลล์กัลวานิกคือ : emf = +0.76 V + 0.34 V = 1.1 V.
ปฏิกิริยาทั่วโลกของเซลล์กัลวานิกสามารถเขียนได้ดังนี้:
Zn o (s) + Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu o (s)
เมื่อคำนึงถึงซัลเฟตปฏิกิริยาสุทธิคือ:
Zn o (s) + Cu 2+ (SO 4 ) 2- 25 องศาเซลเซียส→ Zn 2+ (SO 4 ) 2 + Cu o (s)
ซัลเฟตเป็นสิ่งที่มองไม่เห็นในขณะที่โลหะแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน
การแสดงสัญลักษณ์ของเซลล์กัลวานิก
เซลล์กัลวานิกในรูปที่ 2 แสดงสัญลักษณ์ดังนี้:
Zn o (s) -Zn 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) (1M) -Cu o (s)
ตามแบบแผนโลหะที่ออกซิไดซ์และสร้างแอโนด (-) จะถูกวางไว้ทางด้านซ้ายเสมอและไอออนของมันในสถานะน้ำจะถูกคั่นด้วยแท่ง (-) ครึ่งเซลล์ขั้วบวกถูกแยกออกจากแคโทดทีละแท่ง (-) ซึ่งเป็นตัวแทนของสะพานเกลือ ทางด้านขวาวางครึ่งเซลล์โลหะที่ลดลงและสร้างแคโทด (+)
ในการแสดงสัญลักษณ์ของเซลล์กัลวานิกปลายด้านซ้ายจะเป็นโลหะที่ถูกออกซิไดซ์เสมอและโลหะที่ถูกรีดิวซ์จะอยู่ที่ปลายด้านขวา (ในสถานะของแข็ง) ควรสังเกตว่าในรูปที่ 2 ครึ่งเซลล์อยู่ในตำแหน่งย้อนกลับเมื่อเทียบกับการแสดงสัญลักษณ์ทั่วไป
การประยุกต์ใช้งาน
เมื่อทราบถึงศักยภาพในการเกิดออกซิเดชันมาตรฐานของโลหะชนิดต่างๆจึงเป็นไปได้ที่จะกำหนดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เซลล์กัลวานิกที่สร้างขึ้นด้วยโลหะเหล่านี้จะผลิตขึ้น
ในส่วนนี้เราจะใช้สิ่งที่ระบุไว้ในส่วนก่อนหน้าเพื่อคำนวณแรงเคลื่อนไฟฟ้าสุทธิของเซลล์ที่สร้างด้วยโลหะอื่น
ตัวอย่างการใช้งานเราพิจารณาเซลล์กัลวานิกของเหล็ก (Fe) และทองแดง (Cu) เนื่องจากข้อมูลจะได้รับปฏิกิริยาการลดลงต่อไปนี้และศักยภาพในการลดมาตรฐานของมันกล่าวคือที่ความเข้มข้น25ºCและ 1M:
Fe 2+ (ac) + 2 e - → Fe (s) เครือข่าย E1 = -0.44 V.
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu (s) E2 สีแดง = +0.34 V.
ขอให้หาแรงเคลื่อนไฟฟ้าสุทธิที่เกิดจากเซลล์กัลวานิกต่อไปนี้:
Fe (s) -Fe 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) -Cu (s)
ในเซลล์นี้เหล็กจะออกซิไดซ์และเป็นแอโนดของเซลล์กัลวานิกในขณะที่ทองแดงกำลังรีดิวซ์และเป็นแคโทด ศักยภาพในการเกิดออกซิเดชันของเหล็กเท่ากับ แต่ตรงข้ามกับศักยภาพในการรีดิวซ์นั่นคือ E1 oxd = +0.44
เพื่อให้ได้แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ผลิตโดยเซลล์กัลวานิกนี้เราเพิ่มศักยภาพการเกิดออกซิเดชันของเหล็กด้วยศักยภาพในการลดลงของทองแดง:
emf = E1 oxd + E2 แดง = -E1 แดง + E2 แดง = 0.44 V + 0.34 V = 0.78 V.
เซลล์กัลวานิกในชีวิตประจำวัน
เซลล์กัลวานิกสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวันนั้นมีรูปร่างที่แตกต่างจากที่ใช้เป็นแบบจำลองการสอนมาก แต่หลักการทำงานเหมือนกัน
เซลล์ที่ใช้บ่อยที่สุดคือแบตเตอรี่อัลคาไลน์ 1.5V ในการนำเสนอที่แตกต่างกัน ชื่อแรกเกิดขึ้นเนื่องจากเป็นชุดของเซลล์ที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมเพื่อเพิ่มแรงเคลื่อนไฟฟ้า
แบตเตอรี่ลิเธียมแบบชาร์จซ้ำยังใช้หลักการทำงานเช่นเดียวกับเซลล์กัลวานิกและเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้ในสมาร์ทโฟนนาฬิกาและอุปกรณ์อื่น ๆ
ในทำนองเดียวกันแบตเตอรี่ตะกั่วสำหรับรถยนต์รถจักรยานยนต์และเรือคือ 12V และใช้หลักการทำงานเดียวกันของเซลล์กัลวานิก
เซลล์กัลวานิกใช้ในด้านสุนทรียศาสตร์และในการสร้างกล้ามเนื้อ มีการบำรุงผิวหน้าซึ่งประกอบด้วยการใช้กระแสไฟฟ้าผ่านขั้วไฟฟ้าสองอันในรูปลูกกลิ้งหรือทรงกลมที่ทำความสะอาดและปรับสีผิว
นอกจากนี้ยังใช้พัลส์ปัจจุบันเพื่อสร้างกล้ามเนื้อใหม่ในผู้ที่อยู่ในภาวะกราบ
การสร้างเซลล์กัลวานิกแบบโฮมเมด
มีหลายวิธีในการสร้างเซลล์กัลวานิกแบบโฮมเมด วิธีที่ง่ายที่สุดอย่างหนึ่งคือการใช้น้ำส้มสายชูเป็นสารละลายตะปูเหล็กและสายทองแดง
วัสดุ
- ถ้วยพลาสติกทิ้ง
- น้ำส้มสายชูขาว
- สกรูเหล็กสองตัว
- ลวดทองแดงเปลือยสองชิ้น (ไม่มีฉนวนหรือเคลือบเงา)
- โวลต์มิเตอร์
กระบวนการ
- เติมน้ำส้มสายชูลงในส่วนของแก้ว
- ใส่สกรูเหล็กสองตัวเข้ากับลวดหลาย ๆ รอบโดยปล่อยให้ชิ้นส่วนของลวดคลายออก
ปลายลวดทองแดงที่ไม่ได้ม้วนจะงอเป็นรูปตัว U คว่ำเพื่อให้มันวางอยู่บนขอบแก้วและสกรูจะจมอยู่ในน้ำส้มสายชู
รูปที่ 3. เซลล์กัลวานิกแบบโฮมเมดและมัลติมิเตอร์ ที่มา: youtube.com
ลวดทองแดงอีกชิ้นหนึ่งจะงอเป็นตัว U คว่ำและแขวนไว้ที่ขอบแก้วในตำแหน่งที่ตรงข้ามกับสกรูที่จุ่มอยู่เพื่อให้ส่วนหนึ่งของทองแดงอยู่ในน้ำส้มสายชูและส่วนอื่น ๆ ของลวดทองแดงอยู่ด้านนอก ของแก้ว
ปลายด้านฟรีของขั้วต่อโวลต์มิเตอร์เชื่อมต่อเพื่อวัดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากเซลล์ธรรมดานี้ แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์ประเภทนี้คือ 0.5V ในการปรับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแบตเตอรี่อัลคาไลน์ให้เท่ากันจำเป็นต้องสร้างเซลล์อีกสองเซลล์และรวมทั้งสามเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้แบตเตอรี่ 1.5V
อ้างอิง
- บอร์เนียวอาร์เซลล์กัลวานิกและอิเล็กโทรไลต์ ดึงมาจาก: classdequimica.blogspot.com
- Cedrón, J. เคมีทั่วไป. PUCP ดึงมาจาก: corinto.pucp.edu.pe
- Farrera, L. ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเคมีไฟฟ้า. ภาควิชาฟิสิกส์เคมี UNAM กู้คืนจาก: depa.fquim.unam.mx.
- วิกิพีเดีย เซลล์ไฟฟ้าเคมี. สืบค้นจาก: es.wikipedia.com.
- วิกิพีเดีย เซลล์กัลวานิก สืบค้นจาก: es.wikipedia.com.