ไฟฟ้าเคมี

ไฟฟ้าเคมี (อังกฤษ: Electrochemistry) เป็นศาสตร์ของปฏิกิริยาที่ผิวหน้าสัมผัสของ วัสดุตัวนำอิเล็กโทรนิก(conductor material)ซึ่งเป็นอิเล็กโทรด(electrode)ที่อาจเป็นโลหะ หรือสารกึ่งตัวนำอย่างกราไฟต์(graphite)และไอออนิกคอนดักเตอร์อิเล็กโตรไลต์(electrolyte) ถ้าปฏิกิริยาเคมี(chemical reaction)เกิดจาก แรงดันไฟฟ้า (voltage)ภายนอกหรือถ้าแรงดันไฟฟ้าเกิดจากปฏิกิริยาเคมี ดังเช่นไฟฟ้าในแบตเตอรี่ (Battery) อย่างนีเราเรียกว่าปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าโดยทั่วไปวิชาเคมีไฟฟ้า จะเกี่ยวข้องกับสถานการณ์ปฏิกิริยา ออซิเดชั่น(oxidation)และ รีดักชั่น (reduction) และทิศทางของประจุไฟฟ้า(charge transfer) จากโมเลกุลหนึ่งไปยังที่อื่นจะไม่ถือว่าเป็นเนื้อหาในเคมีไฟฟ้า

[แก้]ออกซิเดชั่น และ รีดักชั่น

ธาตุเคมีที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมี(chemical reaction)ไฟฟ้าจะขึ้นกับจำนวนอิเล็กตรอน (electron) ที่มันจะรับหรือจะให้ซึ่งเรียกว่าออกซิเดชั่นสเตต(oxidation state)ในสถานะที่เป็นกลาง (neutral state)ออกซิเดชั่นสเตตจะเท่ากับ 0 ถ้าอะตอมใดอะตอมหนึ่งเป็นผู้ให้อิเล็กตรอนในปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นออกซิเดชั่นสเตตของมันจะเพิ่มขึ้นและถ้าธาตุใดรับอิเล็กตรอนออกซิเดชั่นสเตตของมันจะลดลง ดังตัวอย่างเมื่อโซเดียมทำปฏิกิริยากับคลอรีนโซเดียมจะให้อิเล็กตรอน 1 ตัวแล้วมันจะมีออกซิเดชั่นสเตตเป็น +1 ส่วนคลอรีนรับอิเล็กตรอนไป 1 ตัวจะมีค่าออกซิเดชั่นสเตตลดลงเป็น -1 ออกซิเดชั่นสเตตจะเป็น 0 ในปฏิกิริยาเคมีที่ประจุ + และ - หักล้างกันพอดี และแรงดึงดูดไอออนต่างชนิดกันระหว่างของโซเดียมและคลอรีนเรียกว่าไอออนิกบอนด์(ionic bond)การสูญเสียอิเล็กตรอนของธาตุเคมีเราเรียกว่าออกซิเดชั่น(oxidation)และการได้รับอิเล็กตรอนเราเรียกว่ารีดักชั่น(reduction) เพื่อให้จำง่ายเรามีเทคนิคช่วยจำ(mnemonic)ที่นิยมกันมากดังนี้ดังนี้

• "OIL RIG" ย่อจากภาษาอังกฤษว่า"ออกซิเดชั่นคือการสูญเสีย รีดักชั่นคือการเพิ่มพูน"
  (Oxidation Is Loss,Reduction Is Gain)
• "LEO says GER" ย่อจากภาษาอังกฤษว่า "สูญเสียอิเล็กตรอน:ออกซิเดชั่น,เพิ่มพูนอิเล็กตรอน:รีดักชั่น"
  (Lose Electrons:Oxidization, Gain Electrons: Reduction)

สสารที่สูญเสียอิเล็กตรอนจะเรียกว่ารีดิวซิ่งเอเจนต์หรือรีดักแตนท์และถ้าสสารที่รับอิเล็กตรอนจะเรียกว่าออกซิไดซิ่งเอเจนต์หรือออกซิแดนท์ ในปฏิกิริยาเคมีออกซิไดซิ่งเอเจนต์จะถูกลดประจุไฟฟ้าหรือถูกรีดิวซ์เสมอและรีดิวซิ่งเอเจนต์จะถูกออกซิไดซ์เสมอ การเพิ่มออกซิเจน สูญเสียไฮโดรเจน และเพิ่มตัวเลขออกซิเดชั่น ปฏิกิริยาเคมีนี้จะเรียกออกซิเดชั่น และในทางตรงกันข้ามเรียกว่ารีดักชั่น และปฏิกิริยาเคมีที่มีทั้งออกซิเดชั่นและรีดักชั่นจะเรียกปฏิกิริยานี้ว่ารีดอกซ์(redox) เป็นเรื่องธรรมดาที่เมื่อสสารหนึ่งเสียอิเล็กตรอนสสารอีกตัวก็จะเป็นผู้รับมัน ในปฏิกิริยาเคมีที่ต้องการออกซิแดนท์ ออกซิเจนคือออกซิแดนท์ แต่ออกซิแดนท์ไม่จำเป็นต้องเป็นออกซิเจน ฟลูออรีนก็เป็นตัวออกซิแดนท์ที่ดีและแรงกว่าออกซิเจนด้วยเนื่องจากมันมีอิเล็กโตรเนกาติวิตี(electronegativity)สูงกว่าออกซิเจน

[แก้]ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเอง

ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเอง(spontaneous)สามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าได้เช่นในเซลล์เคมีไฟฟ้า(electrochemical cell) หรือ แบตเตอรี่(battery)และ เซลล์เชื้อเพลิง(fuel cell)ตัวอย่างในเซลล์เชื้อเพลิง ก๊าซออกซิเจน(O₂)และไฮโดรเจน(H₂)จะรวมตัวกันเกิดเป็นน้ำ(H₂O) ความร้อนและพลังงานไฟฟ้า(electrical energy)ในทางกลับกันอิเล็กโตรไลสิส(electrolysis)ของน้ำเกิดเป็นก๊าซออกซิเจนและไฮโดรเจนเกิดขึ้นเองไม่ได้ (non-spontaneous electrochemical reactions)ต้องใช้แรงดันไฟฟ้า(voltage)ช่วย

[แก้]หลักการของเซลล์เคมีไฟฟ้า

หลักการของเซลล์เคมีไฟฟ้า คือ การเปลี่ยนจากพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยนำขั้วไฟฟ้า คือ ทองแดง และแผ่นสังกะสีจุ่มในสารซัลฟิวริกเจือจาง ขั้วไฟฟ้าทั้งสองจะทำปฏิกิริยากับสารละลายแล้วเกิดการแตกตัว โดยสังกะสีจะแตกตัวให้อิเล็กตรอนมากกว่าทองแดง ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากขั้วสังกะสีไปสู่ขั้วทองแดง ขั้วสังกะสีจะเป็นขั้วไฟฟ้าลบและมีศักย์ไฟต่ำ ส่วนขั้วทองแดงจะเป็นขั้วไฟฟ้าบวกและมีศักย์ไฟฟ้าสูง ดังนั้นจะทำให้มีกระแสอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากขั้วสังกะสีไปสู่ขั้วทองแดง จึงเกิดกระแสไฟฟ้า