ปฏิบัติการเคมีเรื่อง การถ่ายโอนอิเล็กตรอนในเซลล์กัลวานิก นักเรียนชั้นมัธยมปีที่ ๕ โรงเรียนดำรงวิทยา

เมื่อวันที่ 25 กุมภาพันธ์ 2561 เวลา 15.00 – 16.30 น. ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ โครงการ SMP โรงเรียนดำรงวิทยา ได้มีจัดการเรียนการสอนปฏิบัติการเคมี เรื่อง การถ่ายโอนอิเล็กตรอนในเซลล์กัลวานิก นักเรียนในโครงการ SMP ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 โดยมีอาจารย์กอรีเย๊าะ  มะนาฮา เป็นอาจารย์ผู้สอน และมีนักวิทยาศาสตร์เป็นผู้ช่วยแลบปฏิบัติการ

วัตถุประสงค์

1.       ทำการทดลองเพื่อศึกษาการถ่ายโอนอิเล็กตรอนในแซลล์กัลวานิกได้

2.       บอกทิศทางการถ่ายโอนอิเล็กตรอนในเซลล์กัลวานิกได้

3.       บอกได้ว่าครึ่งเซลล์ใดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือรีดักชัน

4.       บอกหน้าที่ของสะพานเกลือได้

หลักการ

เซลล์กัลป์วานิก  ได้กล่าวถึงปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นเมื่อนำแผ่นสังกะสีจุ่มลงในสารละลายของทองแดง หรือตัวรีดิวซ์จุ่มลงในตัวออกซิไดซ์โดยตรงแล้วในบทนำ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทำให้เกิดพลังงานในรูปของความร้อน แต่ถ้าแยกตัวรีดิวซ์ออกจากตัวออกซิไดซ์ แล้วเชื่อมต่อวงจรภายนอกและสะพานเกลือ( salt bridge)อิเล็กตรอนก็จะถูกถ่ายโอนผ่านตัวกลางภายนอกจากขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันไปยังขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน จึงทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ เซลล์ไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีนี้เรียกว่า เซลล์กัลวานิกหรือเซลล์โวลตาอิก (galvanic cell or voltaic cell)ดังภาพ

จากรูปเซลล์กัลวานิกประกอบด้วยสองครึ่งเซลล์ โดยแต่ละครึ่งเซลล์จะประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าที่จุ่มลงไปในสารละลาย แท่งสังกะสีและแท่งทองแดงในเซลล์เป็นขั้วไฟฟ้าซึ่งเรียกว่า อิเล็กโทรด ( electrode ) ขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เรียกว่า ขั้วแอโนด ( anode ) และขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน เรียกว่า ขั้วแคโทด (cathode)

ระหว่างที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันขึ้นที่ขั้วแอโนด Zn จะค่อย ๆ กร่อนแล้วเกิดเป็น Zn²⁺ ละลายลงมาในสารละลายที่มี Zn²⁺ และ SO₄^2- ส่วนที่ขั้วแคโทด Cu²⁺ จากสารละลายเกิดปฏิกิริยารีดักชันกลายเป็นอะตอมของทองแดงเกาะอยู่ที่ผิวของขั้วไฟฟ้า เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปจะพบว่าในครึ่งเซลล์ออกซิเดชันสารละลายจะมีประจุบวก (Zn²⁺) มากกว่าประจุลบ (SO₄^2-) และในครึ่งเซลล์รีดักชันสารละลายจะมีประจุลบ (SO₄^2-) มากกว่าประจุบวก (Cu²⁺) จึงเกิดความไม่สมดุลทางไฟฟ้าขึ้นปัญหานี้สามารถที่จะแก้ไขได้โดยการใช้สะพานเกลือ (salt bridge) เชื่อมต่อระหว่างสองครึ่งเซลล์ซึ่งสะพานเกลือทำจากหลอดแก้วรูปตัวยู ภายในบรรจุอิเล็กโตรไลต์ที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารในเซลล์และมีไอออนบวก ไอออนลบเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกัน หรือทำจากกระดาษกรองชุปอิเล็กโตรไลต์ โดยสะพานเกลือทำหน้าที่เป็นตัวกลางที่เชื่อมต่อระหว่างครึ่งเซลล์ทั้งสอง และเป็นสิ่งที่ป้องกันการเกิดการสะสมของประจุโดยไอออนบวกจากสะพานเกลือจะเคลื่อนที่ไปยังครึ่งเซลล์ที่มีประจุลบมาก ในทางตรงกันข้ามไอออนลบก็จะเคลื่อนที่ไปยังครึ่งเซลล์ที่มีประจุมาก จึงทำให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไปได้ในเวลาที่มากขึ้น

และเนื่องจากครึ่งเซลล์ทั้งสองเชื่อมต่อกับวงจรภายนอก ครึ่งเซลล์ที่มีศักย์รีดักชันสูงกว่าจะเกิดรีดักชัน และครึ่งเซลล์ที่มีศักย์รีดักชันต่ำกว่าจะ(ถูกบังคับให้)เกิดออกซิเดชัน ความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดนี้ เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้า (electromotive force: emf) และมีหน่วยเป็น โวลต์ (volt)

จากดูผลการทดลองแล้ว นักเรียนจะเห็นว่าไอออนแต่ละชนิดรับอิเล็กตรอนได้ไม่เท่ากัน ไอออนที่รับอิเล็กตรอนได้ดี จะเป็นตัวออกซิไดส์ที่ดี คอปเปอร์ทูไอออนรับ อิเล็กตรอนได้ดีกว่าซิงค์ไอออน จึงเป็นตัวออกซิไดส์ที่ดีกว่า และโลหะแต่ละชนิดให้อิเล็กตรอนได้ไม่เท่ากัน โลหะที่ให้อิเล็กตรอนได้ดี จะเป็นตัวรีดิวซ์ที่ดี สังกะสีให้ อิเล็กตรอนได้ดีกว่าทองแดง จึงเป็นตัวรีดิวซ์ที่ดีกว่า จากผลการทดลองสรุปได้ว่า

ความสามารถในการรับอิเล็กตรอนเป็นดังนี้

 Cu2+(aq) > Fe2+(aq) > Zn2+(aq) > Mg2+(aq)

ความสามารถในการเป็นตัวออกซิไดส์เป็นดังนี้

Cu2+(aq) > Fe2+(aq) > Zn2+(aq) > Mg2+(aq)

ความสามารถในการใหอิเล็กตรอนเป็นดังนี้

Cu < Fe < Zn < Mg

ความสามารถในการเป็นตัวรีดิวซเ์ป็นดังนี้

Cu < Fe < Zn < Mg

หรือกล่าวอีกแบบหนึ่งได้ว่า ตัวออกซิไดส์ที่ดี จะมีความสามารถรับอิเล็กตรอนได้ง่าย และตัวรีดิวซ์ที่ดี คือโลหะที่ให้อิเล็กตรอนได้ง่าย