วันจันทร์ที่ 14 ธันวาคม พ.ศ. 2552

การแยกสลายด้วยไฟฟ้า


การแยกสลายด้วยไฟฟ้า คือกระบวนการที่เกิดขึ้นโดยกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไปในสารละลายของอิเล็กโทรไลต์แล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกิดขึ้นเนื่องจากการแยกสลายด้วยไฟฟ้า คือ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันดังได้กล่าวไปแล้ว โดยแยกปฏิกิริยาออกเป็นสองส่วนคือออกซิเดชันกับรีดักชัน ครึ่งที่เป็นออกซิเดชันเกิดขึ้นที่แอโนด ส่วนครึ่งที่เป็นรีดักชันเกิดขึ้นที่แคโทด แอนไอออนเคลื่อนที่เข้าหาแอโนดถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแอนไอออนให้แก่แอโนดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ส่วนแคทไอออนเคลื่อนที่เข้าหาแคโทดแล้วรับอิเล็กตรอนจากแคโทดเกิดปฏิกิริยารีดักชัน
เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าลงในโซเดียมคลอไรด์ที่หลอมเหลว จะได้โลหะโซเดียมเกาะที่แคโทดและแก๊สคลอรีนออกมาที่ทางแอโนด แสดงว่าเกิดปฏิกิริยาขึ้นมีการแยกเกลือโซเดียมคลอไรด์ โซเดียมคลอไรด์ในสภาพของแข็งนำไฟฟ้าไม่ได้ แม้ว่าจะประกอบไปด้วยไอออนทั้งผลึกก็ตาม การที่นำไฟฟ้าไม่ได้เพราะไอออนในของแข็งเคลื่อนที่ไม่ได้ แต่เมื่อให้ความร้อนจนโซเดียมคลอไรด์หลอมเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 800 องศาเซลเซียส ใส่ขั้วไฟฟ้าที่เฉื่อย เช่น แท่งคาร์บอนหรือแพลทินัมลงไปแล้วผ่านกระแสไฟฟ้าโดยต่อจากแหล่งกำเนิดไฟกระแสตรง เช่น แบตเตอรี่ จะพบว่าโซเดียมคลอไรด์ที่หลอมเหลวนำไฟฟ้าได้ ทั้งนี้เพราะในสภาพของเหลวไอออนเคลื่อนที่ได้สะดวก การนำไฟฟ้าเกิดขึ้นดังกระบวนการต่อไปนี้
ก) Na+ เคลื่อนที่ไปสู่แคโทดซึ่งมีประจุลบ รับอิเล็กตรอนจากแคโทดเกิดรีดักชัน Na+
เปลี่ยนเป็นโลหะโซเดียม
Na+ + e-  Na
ข) Cl- เคลื่อนที่ไปสู่แอโนดซึ่งมีประจุบวก ให้อิเล็กตรอนแก่แอโนดเกิดออกซิเดชัน Cl- เปลี่ยนเป็นอะตอมคลอรีนแล้วอะตอมคลอรีนสองอะตอมรวมกันเป็นแก๊สคลอรีนหนึ่งโมเลกุลได้แก๊สคลอรีนปุดออกมาทางแอโนด
2Cl-  Cl2 + 2 e-
กระแสไฟฟ้าเดินครบวงจรได้เพราะแอโนดรับอิเล็กตรอนจากแอนไอออน Cl- อิเล็กตรอนเดินไปตามวงจรไฟฟ้านอกของเหลวมาที่แคโทด แล้วถ่ายโอนไปสู่แคทไอออน Na+ อิเล็กตรอนหายไปทางแคโทดแล้วได้อิเล็กตรอนกลับมาทางแอโนด ครบเป็นวงจร สำหรับภายในของเหลวการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าสืบเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของไอออนในสนามไฟฟ้า
ผลที่ได้จากการถ่ายโอนอิเล็กตรอน 1 โมล ทำให้เกิดโซเดียม 1 โมล และคลอรีน ½ โมล เพื่อให้ปฏิกิริยาออกซิเดชันกับรีดักชันสมดุลกัน จึงทำจำนวนอิเล็กตรอนให้เท่ากันเสีย ดังนี้
ปฏิกิริยาที่แคโทด 2Na+ + 2e-  2Na
ปฏิกิริยาที่แอโนด 2Cl-  Cl2 + 2 e-
ปฏิกิริยาของเซลล์ 2Na+ + 2Cl-  2Na + Cl2
หรือ 2NaCl  2Na + Cl2

กระแสไฟฟ้าที่ผ่านลงในโซเดียมคลอไรด์ที่หลอมเหลว ทำให้ได้โซเดียมที่แคโทดและแก๊สคลอรีนที่แอโนด กระบวนการเช่นนี้เป็นการแยกสลายสารด้วยไฟฟ้า เรากล่าวว่าโซเดียมคลอไรด์ที่หลอมเหลวถูกแยกสลายด้วยไฟฟ้า ไฟฟ้าเป็นแรงขับดันให้ปฏิกิริยาที่ไม่เกิดขึ้นเองให้เกิดขึ้นได้อุปกรณ์ทั้งชุดซึ่งประกอบด้วยภาชนะบรรจุอิเล็กโทรไลต์ มีขั้วไฟฟ้าคู่หนึ่งต่อจากแหลงทำไฟกระแสตรงเรียกว่าเซลล์อิเล็กโทรไลติก เซลล์ชนิดนี้ใช้พลังงานจากแหล่งภายนอกไปทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี
ถ้าเราทำการแยกสลายสารละลายโซเดียมคลอไรด์ด้วยไฟฟ้า ละลายโซเดียมคลอไรด์ได้จากการละลายโซเดียมคลอไรด์ในน้ำ ภายในสารละลายไม่ได้มีแต่เพียง Na+ และ Cl- เท่านั้น แต่ยังมีโมเลกุลน้ำซึ่งอาจถูกออกซิไดซ์หรือรีดิวซ์ได้ด้วย สิ่งที่เกิดขึ้นภายในเซลล์อิเล็กโทรไลติกมีดังนี้
1) Na+ เคลื่อนที่ไปสู่แคโทด
2) ที่แคโทดมีทั้ง Na+ และโมเลกุลน้ำ อาจเกิดรีดักชันขึ้นกับ Na+ หรือโมเลกุลน้ำดังนี้
Na+ + e-  Na
2H2O + 2e-  H2 + OH-
ระหว่าง Na+ กับ H2O H2O จะถูกรีดิวซ์ได้ง่ายกว่า Na+ ปฏิกิริยาที่แคโทดจึงเป็นปฏิกิริยา (2.11) ได้แก๊สไฮโดรเจน
3) Cl- เคลื่อนที่ไปสู่แอโนด
4) ที่แอโนดมีทั้ง Cl- และโมเลกุลน้ำ อาจเกิดออกซิเดชันขึ้นกับ Cl- หรือโมเลกุลน้ำดังนี้
2Cl-  Cl2 + 2 e-
2H2O O2 + 4H+ + 4 e-
แต่เนื่องจาก Cl- ถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายกว่า H2O จึงเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่แอโนดได้แก๊สคลอรีน ปฏิกิริยาของเซลล์ได้จากการรวมกันของปฏิกิริยาทั้งสองเข้าด้วยกัน
2Cl- + 2H2O  H2 + Cl2 + 2OH-

การแยกสลายสารละลายโซเดียมคลอไรด์ที่เข้มข้นพอควรด้วยไฟฟ้า ได้แก๊สไฮโดรเจนที่แคโทดและแก๊สคลอรีนที่แอโนด ส่วน Na+ คงอยู่ในสารละลายตามเดิมและเมื่อทำการแยกสลายด้วยไฟฟ้าเรื่อยไปนานเข้าก็จะมี OH- สะสมมากขึ้น ภายหลังการแยกสลายด้วยไฟฟ้าแล้ว ถ้าเอาสารละลายที่เหลือไประเหยจะได้ของแข็งโซเดียมไฮดรอกไซด์ตกผลึกออกมา การแยกสลายสารละลายโซดียมคลอไรด์ด้วยไฟฟ้าจึงเป็นวิธีเตรียมโซเดียมไฮดรอกไซด์หรือโซดาไฟด้วย

1 ความคิดเห็น:

  1. ไม่ระบุชื่อ16 กุมภาพันธ์ 2553 05:04

    ขอบคุณค่ะ...

    สำหรับข้อมูล

    {14 ธันวา(วันเกิดหนูพอดีเลยค่ะ)}

    ขอบคุณพี่มากเน้อ...

    ตอบลบ