เครื่องคำนวณอิเล็กโทรลิซิส - การสะสมมวล (กฎของฟาราเดย์)

เครื่องคำนวณอิเล็กโทรลิซิสคืออะไร?

เครื่องคำนวณอิเล็กโทรลิซิสจะคำนวณมวลของโลหะที่เคลือบสะสมหรือละลายที่ขั้วไฟฟ้าระหว่างการทำอิเล็กโทรลิซิส อิเล็กโทรลิซิสเป็นกระบวนการที่ใช้กระแสไฟฟ้าบังคับให้เกิดปฏิกิริยาเคมีซึ่งไม่สามารถเกิดขึ้นได้เอง เครื่องคำนวณนี้ใช้กฎการอิเล็กโทรลิซิสของฟาราเดย์ โดยอาศัยกระแสไฟฟ้า เวลา และสมบัติของโลหะที่เลือก

วิธีคำนวณมวลจากอิเล็กโทรลิซิส: สูตรกฎของฟาราเดย์

กฎของฟาราเดย์ระบุว่า มวลของสารที่เกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าแปรผันตามปริมาณประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านขั้วนั้น ประจุไฟฟ้าเท่ากับกระแสไฟฟ้าคูณด้วยเวลา ดังนั้นสูตรจึงมักเขียนเป็น:

$m = \frac{I \times t \times M}{z \times F}$

• m — มวลของสารที่เกิดขึ้นหรือละลาย มีหน่วยเป็นกรัม
• I — กระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นแอมแปร์ (A)
• t — เวลา มีหน่วยเป็นวินาที (s)
• M — มวลโมลาร์ของสาร มีหน่วยเป็นกรัมต่อโมล (g/mol)
• z — เวเลนซ์ หรือจำนวนอิเล็กตรอนที่ถ่ายโอนต่อไอออนหนึ่งตัว
• F — ค่าคงที่ฟาราเดย์ 96,485 คูลอมบ์ต่อโมล (C/mol)

ค่าคงที่ฟาราเดย์ตั้งชื่อตามไมเคิล ฟาราเดย์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ค่านี้คือประจุไฟฟ้าที่อิเล็กตรอนหนึ่งโมลมีอยู่

เหตุใดเวเลนซ์จึงมีความสำคัญ

เวเลนซ์ขึ้นอยู่กับประจุของไอออน ไอออนทองแดง Cu²⁺ ต้องใช้อิเล็กตรอนสองตัวเพื่อเปลี่ยนเป็นอะตอมทองแดง ดังนั้นเวเลนซ์จึงเท่ากับ 2 ไอออนเงิน Ag⁺ ต้องการอิเล็กตรอนเพียงหนึ่งตัว ดังนั้นเวเลนซ์จึงเท่ากับ 1 ไอออนทอง Au³⁺ ต้องการอิเล็กตรอนสามตัว ดังนั้นเวเลนซ์จึงเท่ากับ 3 เวเลนซ์ที่สูงขึ้นหมายถึงต้องใช้อิเล็กตรอนต่ออะตอมมากขึ้น จึงมีมวลเคลือบสะสมน้อยลงเมื่อใช้ประจุไฟฟ้าปริมาณเท่ากัน

มวลโมลาร์และเวเลนซ์ของโลหะทั่วไป

ตัวอย่างพร้อมวิธีทำ

กระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์ไหลผ่านสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟตเป็นเวลา 1 ชั่วโมง (3,600 วินาที) จะมีทองแดงเคลือบสะสมที่แคโทด ซึ่งเป็นขั้วไฟฟ้าที่เกิดรีดักชัน มากเพียงใด?

• I = 1 A
• t = 3,600 s
• M = 63.55 ก./mol (ทองแดง)
• z = 2 (Cu²⁺)
• F = 96,485 C/mol

$m = \frac{1 \times 3600 \times 63.55}{2 \times 96485} = \frac{228780}{192970} \approx 1.18557 \text{ g}$

ทองแดงจะเคลือบสะสมประมาณ 1.19 กรัม

ตัวอย่างที่สอง: กระแสไฟฟ้า 2 แอมแปร์ไหลผ่านสารละลายซิลเวอร์ไนเตรตเป็นเวลา 10 นาที (600 วินาที) เงินมีมวลโมลาร์ 107.87 ก./mol และมีเวเลนซ์ 1

$m = \frac{2 \times 600 \times 107.87}{1 \times 96485} \approx 1.34160 \text{ g}$

เงินจะเคลือบสะสมประมาณ 1.34 กรัม ซึ่งมากกว่าตัวอย่างทองแดง สาเหตุหลักคือเงินมีเวเลนซ์ต่ำกว่า

วิธีใช้เครื่องคำนวณ

ป้อนกระแสไฟฟ้าเป็นหน่วยแอมแปร์และเวลาเป็นหน่วยวินาที จากนั้นเลือกโลหะจากรายการ ผลลัพธ์จะอัปเดตโดยอัตโนมัติ การแปลงเวลาทั่วไป: 1 นาที = 60 วินาที, 1 ชั่วโมง = 3,600 วินาที, 1 วัน = 86,400 วินาที

การประยุกต์ใช้อิเล็กโทรลิซิส

การชุบด้วยไฟฟ้าเคลือบโลหะชนิดหนึ่งด้วยชั้นบาง ๆ ของโลหะอีกชนิด เช่น ชุบทองบนเครื่องประดับ หรือชุบนิกเกิลบนชิ้นส่วนเหล็กเพื่อป้องกันการกัดกร่อน การทำโลหะให้บริสุทธิ์ด้วยไฟฟ้าใช้กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสเพื่อทำให้โลหะบริสุทธิ์ ทองแดงที่ผ่านกระบวนการนี้อาจมีความบริสุทธิ์มากกว่า 99.9% การสกัดโลหะด้วยไฟฟ้าดึงโลหะ เช่น สังกะสี ออกจากสารละลายที่ทำจากแร่บด อะลูมิเนียมผลิตด้วยวิธีเดียวกัน แต่ใช้อลูมินาที่ละลายในอ่างเกลือหลอมเหลวแทนน้ำ การอิเล็กโทรลิซิสน้ำทำให้น้ำแยกตัวเป็นก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน ซึ่งเป็นวิธีที่ใช้ผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจน

กฎของฟาราเดย์ให้ค่ามวลสูงสุดตามทฤษฎี กระบวนการจริงมักเคลือบสะสมได้น้อยกว่าเล็กน้อย เนื่องจากกระแสบางส่วนทำให้เกิดปฏิกิริยาข้างเคียงแทนที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาหลัก อัตราส่วนนี้เรียกว่าประสิทธิภาพกระแส และโดยทั่วไปมีค่า 90–98% ในการชุบโลหะระดับอุตสาหกรรม

ประวัติกฎของฟาราเดย์

ในปี 1800 อเลสซานโดร โวลตาสร้างแบตเตอรี่เครื่องแรก ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีกระแสไฟฟ้าที่จ่ายได้อย่างสม่ำเสมอเป็นครั้งแรก ในปีเดียวกันนั้น วิลเลียม นิโคลสันและแอนโทนี คาร์ไลล์ใช้แบตเตอรี่นี้แยกน้ำเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ซึ่งเป็นการสาธิตอิเล็กโทรลิซิสในระยะแรก ระหว่างปี 1807 ถึง 1808 ฮัมฟรี เดวีใช้กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสแยกธาตุหลายชนิด รวมถึงโพแทสเซียมและโซเดียม

ไมเคิล ฟาราเดย์ ซึ่งเคยทำงานเป็นผู้ช่วยของเดวี ทำการทดลองเกี่ยวกับอิเล็กโทรลิซิสอย่างละเอียดในช่วงต้นทศวรรษ 1830 ในปี 1832 และ 1834 เขาตีพิมพ์กฎสองข้อที่อธิบายความสัมพันธ์ที่แน่นอนระหว่างประจุไฟฟ้ากับมวลของสารที่เกิดขึ้น นอกจากนี้ เขายังบัญญัติศัพท์ อิเล็กโทรด แอโนด แคโทด และไอออน ซึ่งยังคงใช้ในวิชาเคมีจนถึงปัจจุบัน

คำถามที่พบบ่อย

คำนวณมวลที่เคลือบสะสมระหว่างการทำอิเล็กโทรลิซิสอย่างไร คูณกระแสไฟฟ้าด้วยเวลาเพื่อหาประจุไฟฟ้ารวม จากนั้นคูณด้วยมวลโมลาร์ของสาร แล้วหารด้วยผลคูณของเวเลนซ์กับค่าคงที่ฟาราเดย์: m = (I × t × M) / (z × F)

ค่าคงที่ฟาราเดย์คืออะไร คือประจุไฟฟ้าที่อิเล็กตรอนหนึ่งโมลมีอยู่ มีค่าประมาณ 96,485 คูลอมบ์ต่อโมล

แอโนดกับแคโทดแตกต่างกันอย่างไร แอโนดคือขั้วไฟฟ้าที่เกิดออกซิเดชันและมีการสูญเสียอิเล็กตรอน ส่วนแคโทดคือขั้วไฟฟ้าที่เกิดรีดักชันและมีการรับอิเล็กตรอน เมื่อโลหะเคลือบสะสมจากสารละลาย โลหะนั้นจะก่อตัวที่แคโทด

อุณหภูมิมีผลต่อผลการคำนวณหรือไม่ อุณหภูมิไม่ปรากฏในกฎของฟาราเดย์ ดังนั้นจึงไม่เปลี่ยนมวลที่คำนวณได้ แต่อุณหภูมิอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพจริงของกระบวนการ เพราะอุณหภูมิที่สูงขึ้นมักเร่งปฏิกิริยาข้างเคียง

เครื่องคำนวณนี้รองรับโลหะชนิดใดบ้าง ทองแดง เงิน ทอง สังกะสี นิกเกิล เหล็ก และอะลูมิเนียม โดยมีมวลโมลาร์มาตรฐานและเวเลนซ์ของแต่ละชนิดอยู่ในระบบ สำหรับโลหะชนิดอื่นก็ใช้สูตรเดียวกันได้ หากทราบมวลโมลาร์และเวเลนซ์

เหตุใดมวลที่เคลือบสะสมจริงจึงอาจแตกต่างจากค่าที่คำนวณได้ กฎของฟาราเดย์ตั้งสมมติฐานว่ากระแสไฟฟ้าทั้งหมดถูกใช้ในปฏิกิริยาหลัก ในทางปฏิบัติ กระแสบางส่วนสูญเสียไปกับปฏิกิริยาข้างเคียงหรือความต้านทาน ดังนั้นมวลที่เคลือบสะสมจริงจึงมักน้อยกว่าค่าที่คำนวณได้เล็กน้อย อัตราส่วนระหว่างมวลจริงกับมวลตามทฤษฎีเรียกว่าประสิทธิภาพกระแส

เอกสารอ้างอิง

1. Faraday, M. (1834). "การวิจัยเชิงทดลองเกี่ยวกับไฟฟ้า ชุดที่เจ็ด" ธุรกรรมเชิงปรัชญาของราชสมาคมแห่งลอนดอน, 124, 77–122
2. Bard, A. J., & Faulkner, L. R. (2000). วิธีการทางไฟฟ้าเคมี: พื้นฐานและการประยุกต์ใช้ (ฉบับที่ 2) John Wiley & Sons
3. Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (ฉบับที่ 10). Oxford University Press