ปฏิบัติการทดลองเรื่อง ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับสารละลายของโลหะไอออน

เมื่อวันที่ 19 พฤศจิกายน 2561 เวลา 15.00 – 16.30 น. ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ โครงการ SMP โรงเรียนดำรงวิทยา ได้มีการใช้เพื่อจัดการเรียนการสอนรายปฏิบัติการเคมี เรื่อง ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับสารละลายของโลหะไอออน นักเรียนในโครงการ SMP ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 โดยมีอาจารย์กอรีเย๊าะ  มะนาฮา เป็นอาจารย์ผู้สอน และมีนักวิทยาศาสตร์เป็นผู้ช่วยแลบปฏิบัติการ

วัตถุประสงค์

1. ทำการทดลองเพื่อศึกษาปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับโลหะไอออนในสารละลายได้

2.อธิบายการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างโลหะกับโลหะไอออนในปฏิกิริยาพร้อมทั้งเขียนสมการถ่ายโอนอิเล็กตรอนได้

ไฟฟ้าเคมี" เป็นความสัมพันธ์ระหว่างปฏิกิริยาเคมีและพลังงานไฟฟ้า ซึ่งกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีจะเกิดจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากสารหนึ่งไปยังสารหนึ่ง และเมื่อมีการถ่ายโอนอิเล็กตรอน ปฏิกิริยาเคมีก็จะสามารถทำให้เกิดพลังงานไฟฟ้าได้ ในทำนองกลับกันพลังงานไฟฟ้าก็สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีได้เช่นกัน ปฏิกิริยาที่มีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนนี้เรียกว่า ปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox Reaction)

ปฏิกิริยารีดอกซ์ หรือปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน (Oxidation-Reduction Reaction) จะเกิดสองปฏิกิริยาย่อยควบคู่กันไปเสมอ นั่นคือ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation Reaction) และ ปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction Reaction) ปฏิกิริยารีดอกซ์ส่วนมากจะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น การนำโลหะสังกะสี (Zn) จุ่มลงไปในสารละลายของทองแดง (Cu²⁺)

          ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นไปตามสมการ

Zn(s) + Cu²⁺(aq)                        Zn²⁺(aq) + Cu(s)

อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจาก Zn ไปยัง Cu²⁺ ในสารละลายได้โดยตรง สิ่งที่จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนก็คือ แผ่นสังกะสีจะกร่อน มีตะกอนของทองแดงเกิดขึ้นบนแผ่นสังกะสี และเมื่อตั้งทิ้งไว้สารละลายสีฟ้าของ Cu²⁺ จะค่อย ๆ เปลี่ยนเป็นไม่มีสี โดยเกิดปฏิกิริยาย่อย หรือที่เรียกว่าครึ่งปฏิกิริยา (half-reaction) คือ

ปฏิกิริยาออกซิเดชัน เป็นปฏิกิริยาที่มีการให้อิเล็กตรอน โดย Zn ให้อิเล็กตรอนแล้วกลายเป็น Zn²⁺

Zn(s)                           Zn²⁺(aq) + 2e^- (1)

ถ้าพิจารณาเลขออกซิเดชันของ Zn เมื่อให้อิเล็กตรอนแล้วมีเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้นจาก 0 เป็น +2 ปฏิกิริยาออกซิเดชันจึงเป็นปฏิกิริยาที่มีการเพิ่มขึ้นของเลขออกซิเดชัน และอาจกล่าวว่า สารที่สูญเสียอิเล็กตรอนและเลขออกซิเดชันเพิ่มขึ้น (Zn) นี้ถูกออกซิไดซ์

ปฏิกิริยารีดักชันเป็นปฏิกิริยาที่มีการรับอิเล็กตรอน โดย Cu²⁺ รับอิเล็กตรอนแล้วกลายเป็นอะตอมของ Cu

Cu²⁺(aq) + 2e^-                    Cu(s)     (2)

Cu²⁺ เมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วมีเลขออกซิเดชันลดลงจาก +2 เป็น 0 ปฏิกิริยารีดักชันจึงเป็นปฏิกิริยาที่มีการลดลงของเลขออกซิเดชัน และอาจกล่าวว่า สารที่รับอิเล็กตรอนและมีเลขออกซิเดชันลดลง (Cu²⁺) นี้ถูกรีดิวซ์เมื่อรวมปฏิกิริยา (1) และ (2) จะได้ปฏิกิริยาดังสมการ

Zn(s) + Cu²⁺(aq)                    Zn²⁺(aq) + Cu(s) (3)

ปฏิกิริยา (3) เรียกว่า ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน หรือหรือเรียกสั้นๆ ว่า ปฏิกิริยารีดอกซ์ โดย Zn รีดิวซ์ Cu²⁺ ให้เป็น Cu และ Cu²⁺ ออกซิไดซ์ Zn ให้กลายเป็น Zn²⁺ หรืออาจกล่าวว่า Cu²⁺ ถูกรีดิวซ์โดย Zn และZn ถูกออกซิไดซ์โดย Cu²⁺ Zn จึงเป็นตัวรีดิวซ์ (reducing agent) และ Cu²⁺ เป็นตัวออกซิไดซ์ (oxidizing agent)

วิธีการทดลอง

          1. ใสสารละลาย CuSO₄  1.0 mol/dm³ ลงในบีกเกอร์ 2 ใบ ใบละ 25 cm³ สังเกตสีของสารละลาย

          2. จุ่มโลหะสังกะสี ขนาด 0.6 cm X 7 cm ลงในบีกเกอร์ใบที่ 1 และโลหะทองแดงขนาดเดียวกันลงในบีกเกอร์ที่ 2 ตามลำดับ

          3. ตั้งไว้สักครู่ สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นทั้งในสารละลายและแผ่นโลหะ ถ้ามีสารมาเกาะบนแผ่นโลหะให้ใช้แท่งแก้วเขี่ยงออกและสังเกตผิวของโลหะอีกครั้ง

          4. ทำการทดลองเช่นเดียวกับข้อ 1 และข้อ 2 แต่ใช้สารละลาย ZnSO₄ 1.0 mol/dm³  แทนสารละลาย CuSO₄

จากการทดลองในวันนี้ เรื่อง ปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับสารละลายของโลหะไอออน นักเรียนสามารถสรุปผลได้ว่า โลหะ Zn สามารถเกิดปฏิกิริยาถ่ายโอนอิเล็กตรอนกับ Cu2+ ไอออนได้ โดยโลหะ Zn ให้ อิเล็กตรอนแก่Cu2+ ไอออน ดังสมการ Zn(s) + Cu2+(aq) ®Zn2+(aq) + Cu(s) และเมื่อเรียงลำดับความสามารถในการให้อิเล็กตรอนของโลหะทั้งสอง พบวา่ โลหะ Zn สามารถใหอิเล็กตรอนได้ดีกว่า Cu