เคมีไฟฟ้า(Electrochemistry) เคมี ม.ปลาย

 เคมีไฟฟ้า(Electrochemistry) เคมี ม.ปลาย

โดยปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox Reaction) ก็คือ ปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงเลขออกซิเดชันของสาร โดยปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าสามารถแยกออกเป็นปฏิกิริยาย่อย (หรือที่เรียกว่า ครึ่งปฏิกิริยา) ได้ 2 ปฏิกิริยา ได้แก่

• ครึ่งปฏิกิริยาที่มีการให้อิเล็กตรอน เรียกว่า ปฏิกิริยาออกซิเดซัน
• ครึ่งปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอน เรียกว่า ปฏิกิริยารีดักซัน

ซึ่งปฏิกิริยาทั้งสองนี้จะต้องเกิดขึ้นพร้อมกัน จึงจะสามารถเรียกปฏิกิริยารวมว่า “ปฏิกิริยาออกซิเดชัน – รีดักชัน” หรือ “ปฏิกิริยารีดอกซ์” ได้ ดังนั้น จึงสรุปได้ว่าการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์จะต้องประกอบไปด้วย สารที่ให้อิเล็กตรอนเรียกว่าตัวรีดิวซ์ เกิดปฎิฏิกี๊ริยาออกซิเดซัน (Oxidation Reaction) และสารที่รับอิเล็กตรอนเรียกว่าตัวออกซิไดซ์ เกิดปฎิกิริยารีดักซัน (Reduction Reaction) โดยปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า หรือปฏิกิริยารีดอกซ์สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันมากมาย เช่น การชุบโลหะ การทำแบตเตอร์รี่ การแยกสารด้วยไฟฟ้า การทำสารให้บริสุทธิ์ เป็นต้น

ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า หรือปฏิกิริยารีดอกซ์

•ปฏิกิริยารีดอกซ์ คือ ปฏิกิริยาเคมี ที่มีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างสารตั้งต้นทำให้เลขออกซิเดชันมีการเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะทำให้มีอะตอมของธาตุบางตัวสูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอน จะเรียกปฏิกิริยาที่เกิดการเสียอิเล็กตรอนว่า ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) และเรียกปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอนว่า ปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction)  เช่น

MnO₂ (s)+ 2KBr(aq)+ 2H₂SO₄ (aq) ® MnSO₄ (aq)+K₂SO₄(aq)+2H₂O(l) + Br₂ (l)

16.2  การดุลสมการรีดอกซ์

ปฏิกิริยารีดอกซ์  เป็นปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนแปลงเลขออกซิเดชัน โดยมีทั้งเลขออกซิเดชันลดลงและเพิ่มขึ้น  หรือเป็นปฏิกิริยาที่มีการให้และรับอิเล็กตรอน (มีการถ่ายโอนอิเล็กตรอน) ดังนั้น  การดุลสมการของปฏิกิริยารีดอกซ์ จึงใช้  2  วิธี  คือ การใช้เลขออกซิเดชันที่เปลี่ยนแปลงไป  และใช้การให้และรับอิเล็กตรอน (หรือ การใช้ครึ่งปฏิกิริยา)

การดุลสมการทั่วไป เป็นการทำจำนวนอะตอมของธาตุต่าง ๆ  ของสารตั้งต้น เท่ากับจำนวนอะตอมของธาตุต่าง ๆ ของสารผลิตภัณฑ์  หรือทำจำนวนอะตอมของธาตุต่าง ๆ ทางซ้าย และขวาของสมการให้เท่ากัน  สำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์ นอกจากจะต้องทำจำนวนอะตอมของธาตุต่าง ๆ ทางซ้ายและขวาให้เท่ากัน ยังต้องทำเลขออกซิเดชันที่เปลี่ยนแปลงไปให้เท่ากัน  หรือต้องทำจำนวนอิเล็กตรอนที่ให้และรับให้เท่ากัน  และถ้าเป็นการดุลสมการไอออนิก ต้องทำจำนวนประจุทางซ้ายและขวาให้เท่ากันอีกด้วย

16.2.1  การดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้เลขออกซิเดชัน

การดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้วิธีเลขออกซิเดชันที่เปลี่ยนแปลง (The Oxidation Number Change Method)  เป็นการดุลสมการของปฏิกิริยารีดอกซ์ โดยทำเลขออกซิเดชันที่ลดลงเท่ากับเลขออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้น  แล้วทำจำนวนอะตอมของธาตุต่าง ๆ ทางซ้ายและทางขวาให้เท่ากัน  แต่ถ้าเป็นสมการไอออนิกต้องทำค่าประจุรวมทางซ้าย  และทางขวาให้เท่ากันด้วย

หลักทั่วไปของการดุลสมการรีดอกซ์โดยวิธีเลขออกซิเดชันที่เปลี่ยนแปลง ดังนี้

1. เขียนสมการของปฏิกิริยาที่ยังไม่ดุล  แสดงเลขออกซิเดชันของธาตุที่เปลี่ยนแปลงไป  และ แสดงเลขออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้น  และลดลงไว้ข้างล่าง โดยคิดต่อสารตั้งต้นที่เป็นตัวออกซิไดส์หรือตัวรีดิวซ์นั้น  1  โมเลกุล

2. ทำเลขออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้นและลดลงให้เท่ากัน   ด้วยกาคูณไขว้สลับค่าเลขออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้นและลดลงนั้น

3. ทำจำนวนอะตอมของธาตุมี่เปลี่ยนเลขออกซิเดชัน ทั้งซ้ายและทางขวาให้เท่ากัน

4. ดุลจำนวนอะตอมของธาตุอื่น ๆ  ที่ไม่เปลี่ยนแปลงเลขออกซิเดชันให้เท่ากัน  ถ้ามี  H₂O  ( H  และ O  ไม่เปลี่ยนแปลงเลขออกซิเดชัน)   รวมอยู่ด้วยให้ดุลเป็นอันดับสุดท้าย และในการดุล  H₂O  ให้ทำจำนวนอะตอม  H  ซ้ายและขวาให้เท่ากัน

5.  สำหรับสมการไอออนิก  เมื่อดุลถึงขั้นที่  3  ให้ดุประจุทั้งทางซ้ายและขวาให้เท่ากันแล้วจึงดุลขั้นที่  4  ต่อ ไป

6.  สมการที่ดุลแล้ว ต้องทำเลขสัมประสิทธิ์ข้างหน้าของสารทุกชนิดเป็นตัวเลขอย่างต่ำ

2 การดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้ครึ่งปฏิกิริยา

การดุลสมการรีดอกซ์โดยใช้วิธีการครึ่งปฏิกิริยา (Half  reaction Method)  หรือ วิธีการไอออน – อิเล็กตรอน (Ion-electron Method)  เป็นวิธีที่ดุลสมการด้วยการทำจำนวนอิเล็กตรอนที่ให้และรับให้เท่ากัน สมการที่จะดุลด้วยวิธีนี้ต้องเป็นสมการไอออนิก  ถ้าไม่เป็นสมการไอออนิกต้องเปลี่ยนเป็นสมการไอออนิกก่อน แล้วจึงดุลได้

หลักการดุลสมการโดยใช้วิธีการครึ่งปฎิกิริยา

1. ใช้การเปลี่ยนเลขออกซิเดชันของธาตุ  แบ่งส่วนที่ถูกออกซิไดส์  และถูกรีดิวซ์  เขียนโครงครึ่งปฏิกิริยาไอออนิกสุทธิ  2  โครง  โดยโครงหนึ่งเป็นส่วนที่ถูกออกซิไดส์  และอีกส่วนหนึ่งถูกรีดิวซ์
2. ดุลแต่ละครึ่งปฏิกิริยาที่แยกได้

2.1. ดุลอะตอมของธาตุที่ถูกออกซิไดซ์ และที่ถูกรีดิวซ์ ทั้งสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ ยกเว้น  O  และ  H  ยังไม่ดุล

2.2 ดุลธาตุออกซิเจนด้วยการเติมน้ำ (H₂O)  เติม  H₂O  ลงข้าวที่มีออกซิเจนน้อยกว่า

2.3 ในปฏิกิริยาที่เป็นกรดเติม  H⁺  ลงในข้างที่มีไฮโดรเจนน้อยกว่าของสมการ เพื่อดุลอะตอมของ  H

2.4. เติมจำนวนอิเล็กตรอนลงในข้างที่มีประจุมาก  จำนวนอิเล็กตรอนที่เติมลงไปเท่ากับผลต่างระหว่างประจุรวมทั้ง  2 ข้าง

2.5 สำหรับปฏิกิริยาที่เป็นเบสเมื่อดุลถึงขึ้นนี้ถ้าในสมการมี  H⁺  เกิดขึ้นไม่ว่าอยู่ทางข้างซ้ายหรือขวาให้ทำลาย  H⁺  ทั้งหมดด้วยการบวก  OH⁺  เข้าไปในสมการทั้งข้างซ้ายและขวาด้วยจำนวนเท่ากับจำนวน  H⁺  นั้น เพื่อสะเทินกรด   (H⁺ ) ทั้งหมดด้วย  OH^–  จะได้สมการของครึ้งปฏิกิริยาแบบรีดักชันหรือแบบออกซิเดชันที่ดุลแล้ว

3. ทำจำนวนอิเล็กตรอนในสมการของปฏิกิริยาออกซิเดชัน  และรีดักชันให้เท่ากันแล้วนำสมการทั้งหมดมาบวก อิเล็กตรอนหักล้างหมดไป  จะได้สมการของปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ดุลแล้วตามต้องการ

ตรวจนับ จำนวนอะตอมของธาตุแต่ละธาตุเท่ากัน  และประจุรวมข้างซ้าเท่ากับประจุรวมข้างขวาแสดงสมการสุทธิดุล

ศึกษาเกี่ยวกับ      j ปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า     k กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี

หากใช้การถ่ายเทอิเล็กตรอนเป็นเกณฑ์แล้ว Þ ปฏิกิริยาเคมีแบ่งเป็น 2 ประเภท

j ปฏิกิริยาที่มีการถ่ายเท e^–   เรียกว่าปฏิกิริยารีดอกซ์     (Redox Reaction)

k ปฏิกิริยาที่ไม่มีการถ่ายเท e^–     เรียกว่าปฏิกิริยานอนรีดอกซ์    (Nonredox Reaction)

เลขออกซิเดชัน คืออะไร

เลขออกซิเดชัน คือ ค่าประจุไฟฟ้าที่สมมติขึ้นของไอออนหรืออะตอมของธาตุ เขียนตัวย่อได้ว่า ON. ซึ่งคิดจากจำนวนอิเล็กตรอนที่ให้, รับ หรือใช้ร่วมกับอะตอมของธาตุตามเกณฑ์ที่กำหนดขึ้น โดยเลขออกซิเดชันส่วนใหญ่จะเป็นเลขจำนวนเต็มบวกหรือลบหรือศูนย์

• ในสารประกอบไอออนิก อะตอมมีการให้และรับอิเล็กตรอนแล้วกลายเป็นไอออนบวกและไอออนลบ ดังนั้น เลขออกซิเดชันจึงตรงกับค่าประจุไฟฟ้าที่แท้จริง

ซึ่งมีค่าเท่ากับประจุไฟฟ้าของไอออนนั้นๆ

• ในสารประกอบโคเวเลนต์ อะตอมของธาตุจะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน ไม่ได้มีการให้และรับอิเล็กตรอนเหมือนกับในสารประกอบไอออนิก ดังนั้น ในกรณีนี้เลขออกซิเดชันจะเป็นแต่เพียงประจุสมมติ ส่วนอะตอมของธาตุใดจะมีค่าเลขออกซิเดชันเป็นบวกหรือลบ ให้พิจารณาค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี โดยอะตอมของธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่าจะมีเลขออกซิเดชันเป็นลบ ส่วนอะตอมของธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่าจะมีเลขออกซิเดชันเป็นบวก ทั้งนี้ การจะมีค่าบวกเท่าไรนั้นพิจารณาได้จากจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่อะตอมของธาตุนำไปใช้ร่วมกับอะตอมของธาตุอื่น