เซลล์ไฟฟ้าเคมี คืออะไร

เซลล์ไฟฟ้าเคมี (Electrochemical cell) คือชุดที่ทำให้สารเคมีกับไฟฟ้าเปลี่ยนไปมาหากันได้ แบบแรกให้สารเคมีทำปฏิกิริยาแล้วได้ไฟฟ้าออกมา เช่น ถ่านไฟฉาย แบบที่สองใช้ไฟฟ้าบังคับให้สารเคมีเปลี่ยน เช่น บ่อชุบโลหะ

ทุกเซลล์มีของ 3 อย่าง: ขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว (แอโนดกับแคโทด) และของเหลวที่นำไฟฟ้าได้ (อิเล็กโทรไลต์) บทความนี้อธิบายพื้นฐานให้เข้าใจก่อน แล้วพาไปดูว่าหลักเดียวกันทำงานยังไงในบ่อชุบโลหะของจริง

เซลล์ไฟฟ้าเคมีมี 2 ชนิด

ดูภาพนี้ก่อน แล้วค่อยอ่านตาราง

บางตำราเรียกเซลล์กัลวานิกว่าเซลล์โวลตาอิก (Voltaic cell) และเรียกเซลล์อิเล็กโทรไลต์ว่าเซลล์อิเล็กโทรไลติก เป็นของอย่างเดียวกัน

แคโทดเป็นขั้วอะไร แอโนดเป็นขั้วอะไร

จำแค่ 2 ประโยคนี้ ใช้ได้กับทุกเซลล์:

• แอโนด = ขั้วที่เสียอิเล็กตรอน (เกิดออกซิเดชัน)
• แคโทด = ขั้วที่รับอิเล็กตรอน (เกิดรีดักชัน)

ส่วนบวกหรือลบไม่ได้ตายตัว ขึ้นกับว่าเซลล์สร้างไฟเอง หรือใช้ไฟจากข้างนอก

• สร้างไฟเอง (กัลวานิก) → แอโนดเป็นขั้วลบ แคโทดเป็นขั้วบวก
• ใช้ไฟจากข้างนอก (อิเล็กโทรไลต์) → แอโนดต่อกับขั้วบวกของแหล่งจ่ายไฟ แคโทดต่อกับขั้วลบ

ในบ่อชุบโลหะ จำง่ายกว่านั้นอีก: ชิ้นงานที่จะชุบคือแคโทด ต่อขั้วลบเสมอ เพราะไอออนโลหะในน้ำยามีประจุบวก จึงวิ่งเข้าหาขั้วลบแล้วเกาะเป็นเนื้อโลหะบนชิ้นงาน ถ้าต่อสลับ ชิ้นงานจะกลายเป็นแอโนดและถูกกัดเนื้อออกแทน

ตัวช่วยจำภาษาอังกฤษ: An Ox, Red Cat = Anode–Oxidation, Reduction–Cathode · อ่านเรื่องแอโนดในงานชุบเพิ่มได้ที่แอโนด (Anode) คืออะไร

ส่วนประกอบของเซลล์ไฟฟ้าเคมี

1. ขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว: แผ่นหรือแท่งที่นำไฟฟ้าได้ แบ่งเป็น 2 แบบ
   • ขั้วว่องไว: ร่วมทำปฏิกิริยาด้วย จึงสึกหรือหนาขึ้นได้ เช่น สังกะสี ทองแดง
   • ขั้วเฉื่อย: ไม่ร่วมปฏิกิริยา แค่เป็นทางให้ไฟฟ้าผ่าน เช่น แกรไฟต์ (ไส้ดินสอ) แพลทินัม
2. อิเล็กโทรไลต์: ของเหลวที่มีไอออน ไฟฟ้าจึงผ่านได้ เช่น น้ำเกลือ กรด หรือน้ำยาชุบ
3. สายไฟ: ทางเดินของอิเล็กตรอนจากขั้วหนึ่งไปอีกขั้ว
4. สะพานเกลือ: หลอดรูปตัว U ใส่เกลือผสมวุ้น เชื่อมน้ำยา 2 ถ้วยที่แยกกัน ช่วยถ่วงประจุให้ทั้ง 2 ถ้วยเป็นกลาง ไฟฟ้าจึงไหลได้ต่อเนื่อง ถ้าดึงออก ไฟจะหยุดไหลทันที
5. แหล่งจ่ายไฟ: มีเฉพาะเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ในโรงชุบคือเครื่องจ่ายไฟกระแสตรง (Rectifier)

บ่อชุบใช้น้ำยาบ่อเดียว ทั้งแอโนดและชิ้นงานแช่อยู่ในน้ำยาเดียวกัน จึงไม่ต้องมีสะพานเกลือ

เซลล์แดเนียล ตัวอย่างเซลล์กัลวานิก

เซลล์แดเนียลใช้แผ่นสังกะสี (Zn) แช่ในน้ำยาซิงค์ซัลเฟต กับแผ่นทองแดง (Cu) แช่ในน้ำยาคอปเปอร์ซัลเฟต ต่อ 2 แผ่นด้วยสายไฟ และเชื่อม 2 ถ้วยด้วยสะพานเกลือ

1. สังกะสีเสียอิเล็กตรอนง่ายกว่าทองแดง จึงเป็นแอโนด (−) แผ่นสังกะสีค่อยๆ บางลง: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
2. อิเล็กตรอนวิ่งตามสายไฟจากสังกะสีไปทองแดง ทำให้หลอดไฟติดได้
3. ที่ทองแดงซึ่งเป็นแคโทด (+) ไอออนทองแดงในน้ำยารับอิเล็กตรอน แล้วเกาะเป็นเนื้อทองแดง: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

ที่สภาวะมาตรฐาน เซลล์นี้ให้ไฟ 1.10 โวลต์ ได้จากสูตร E°cell = E°(แคโทด) − E°(แอโนด) = 0.34 − (−0.76)

สังเกตว่าข้อ 3 คือการที่ทองแดงไปเกาะบนขั้วไฟฟ้า ซึ่งเป็นสิ่งเดียวกับการชุบทองแดง ต่างกันแค่ในบ่อชุบเราใช้ไฟจากเครื่องจ่ายไฟดันให้เกิด และเลือกได้ว่าจะให้ไปเกาะบนชิ้นงานไหน

โลหะไหนเสียอิเล็กตรอนง่าย

ตารางนี้เรียงจากโลหะที่เสียอิเล็กตรอนง่ายที่สุด (ผุง่าย) ไปยากที่สุด ค่านี้เรียกว่า E° หรือศักย์ไฟฟ้ารีดักชันมาตรฐาน

เมื่อโลหะ 2 ชนิดแตะกันในน้ำหรือน้ำยา ตัวที่อยู่สูงกว่าในตาราง (ค่าติดลบมากกว่า) จะเป็นแอโนดและผุก่อน เช่น สังกะสีผุก่อนเหล็ก จึงใช้สังกะสีเคลือบเหล็กกันสนิมได้ เรียกว่าแอโนดเสียสละ

บ่อชุบโลหะ คือเซลล์อิเล็กโทรไลต์ขนาดใหญ่

รูปในตำราคือบีกเกอร์ใบเล็ก ของจริงในโรงงานคือบ่อขนาดหลายร้อยถึงหลายพันลิตร แต่หลักการเหมือนกันทุกอย่าง

ในรูปคือบ่อชุบโครเมี่ยม หัวสีเทาที่เกี่ยวเรียงอยู่บนบาร์คือหัวของแอโนดตะกั่ว-ดีบุกที่ POMEW ผลิต ตัวแผ่นห้อยลงไปแช่ในน้ำยา บาร์นี้ต่อกับขั้วบวกของเครื่องจ่ายไฟ ส่วนชิ้นงานที่จะชุบแขวนบนอีกบาร์หนึ่งที่ต่อขั้วลบ เป็นแคโทด

แอโนดในบ่อชุบมี 2 แบบ: ละลาย กับ ไม่ละลาย

นี่คือเรื่องที่ตำราเคมีมักไม่บอก แต่สำคัญมากกับโรงชุบ

การชุบโครเมี่ยมใช้แอโนดแบบไม่ละลาย โครเมียมที่เกาะชิ้นงานมาจากกรดโครมิกในน้ำยา โรงชุบจึงต้องคอยเติมสารเคมีแทนการเปลี่ยนแอโนด อ่านขั้นตอนเต็มได้ที่ชุบโครเมี่ยม คืออะไรและการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า

แรงดันต่ำ แต่กระแสสูง

บ่อชุบโครเมี่ยมมักใช้แรงดันราว 6–12 โวลต์ ขึ้นกับขนาดบ่อและชนิดงาน (ค่าโดยประมาณ) แรงดันไม่สูง แต่กระแสสูงหลายร้อยถึงหลายพันแอมแปร์ เพราะชิ้นงานใหญ่ต้องใช้ไฟฟ้ามาก

ตัวเลขที่โรงชุบใช้คุมจริงคือความหนาแน่นกระแส (กระแสต่อพื้นที่ชิ้นงาน หน่วยแอมแปร์ต่อตารางเดซิเมตร) ชิ้นงานใหญ่ 2 เท่าต้องใช้กระแส 2 เท่า ผิวชุบถึงจะออกมาเหมือนเดิม

• กระแสน้อยไป: ชุบช้า ผิวบาง
• กระแสมากไป: ผิวไหม้ ขรุขระ โดยเฉพาะที่ขอบและมุม เพราะไฟฟ้าวิ่งเข้าส่วนที่ยื่นออกมามากกว่าส่วนอื่น

คิดเวลาชุบด้วยกฎของฟาราเดย์

ยิ่งไฟฟ้าผ่านมาก โลหะยิ่งเกาะมาก คิดได้ด้วยสูตร:

มวลโลหะ (กรัม) = (กระแส × เวลา × มวลอะตอม) ÷ (จำนวนอิเล็กตรอน × 96,485)

96,485 คือค่าคงที่ฟาราเดย์ (ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน 1 โมล หน่วยคูลอมบ์) เวลาใช้หน่วยวินาที

ตัวอย่าง: ชุบทองแดงชิ้นงานพื้นที่ 1 ตารางเดซิเมตร (10 × 10 ซม.) ด้วยกระแส 2 แอมแปร์ นาน 1 ชั่วโมง

1. เวลา 1 ชั่วโมง = 3,600 วินาที
2. ทองแดง Cu²⁺ ใช้ 2 อิเล็กตรอน มวลอะตอม 63.55
3. มวล = (2 × 3,600 × 63.55) ÷ (2 × 96,485) = ประมาณ 2.37 กรัม
4. แปลงเป็นความหนา: ทองแดงหนัก 8.96 กรัมต่อลูกบาศก์ซม. → 2.37 ÷ 8.96 = 0.265 ลูกบาศก์ซม. กระจายบนพื้นที่ 100 ตารางซม. = หนาประมาณ 26 ไมโครเมตร

นี่คือค่าตามทฤษฎี ในบ่อจริงจะได้น้อยกว่านี้ เพราะไฟฟ้าส่วนหนึ่งไปแยกน้ำเป็นแก๊สไฮโดรเจนแทน สัดส่วนไฟฟ้าที่กลายเป็นโลหะจริงเรียกว่าประสิทธิภาพกระแส การชุบโครเมี่ยมมีประสิทธิภาพกระแสต่ำกว่าการชุบทองแดงและนิกเกิลมาก จึงต้องใช้กระแสสูงและชุบนาน ฟองแก๊สที่ผุดขึ้นจากบ่อโครเมี่ยมตลอดเวลาก็มาจากไฟฟ้าส่วนนี้

สิ่งที่โรงชุบต้องคุม

• อุณหภูมิน้ำยา: น้ำยาแต่ละชนิดชุบได้ดีในช่วงอุณหภูมิของมัน ต้องใช้ฮีตเตอร์บ่อชุบที่ปลอกทนน้ำยานั้น
• ความหนาแน่นกระแส: ตั้งตามพื้นที่ชิ้นงานทุกครั้งที่เปลี่ยนงาน
• หน้าสัมผัสไฟฟ้า: บาร์ทองแดง ตะขอแขวน และหัวแอโนดต้องสะอาดและแน่น ถ้ามีคราบ ไฟเข้าไม่เต็ม ชิ้นงานจะชุบบางหรือด่างบางจุด
• พื้นที่และสภาพแอโนด: แอโนดต้องมีพื้นที่พอ วางให้ไฟฟ้ากระจายถึงชิ้นงานทั่วถึง และผิวไม่มีคราบหนา
• ความเข้มข้นของน้ำยา: ต้องตรวจและเติมสารเคมีตามรอบ

เซลล์กัลวานิกรอบตัวเรา

• ถ่านไฟฉาย: ปลอกสังกะสีเป็นแอโนด แท่งแกรไฟต์ตรงกลางกับแมงกานีสไดออกไซด์เป็นแคโทด ให้ไฟราว 1.5 โวลต์
• แบตเตอรี่รถยนต์ (ตะกั่ว-กรด): เซลล์ละราว 2 โวลต์ ต่อกัน 6 เซลล์จึงได้ 12 โวลต์ ตอนใช้งานเป็นเซลล์กัลวานิก ตอนชาร์จเป็นเซลล์อิเล็กโทรไลต์
• แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน: ในมือถือและรถไฟฟ้า ให้ไฟราว 3.6–3.7 โวลต์ต่อเซลล์
• สนิมเหล็ก: คือเซลล์กัลวานิกเล็กๆ บนผิวเหล็ก เหล็กเป็นแอโนดที่ค่อยๆ เสียเนื้อ น้ำและออกซิเจนรับอิเล็กตรอน

คำถามที่พบบ่อย

แอโนด แคโทด จำยังไง

แอโนดเสียอิเล็กตรอน แคโทดรับอิเล็กตรอน ใช้ได้ทุกเซลล์ ในบ่อชุบ ชิ้นงานคือแคโทด ต่อขั้วลบเสมอ

อิเล็กตรอนไหลจากขั้วไหนไปขั้วไหน

ในสายไฟ อิเล็กตรอนไหลจากแอโนดไปแคโทดเสมอ ทั้งสองชนิดเซลล์

บ่อชุบต้องมีสะพานเกลือไหม

ไม่ต้อง สะพานเกลือใช้กับเซลล์ที่แยกน้ำยาเป็น 2 ถ้วย บ่อชุบใช้น้ำยาบ่อเดียว ไอออนเคลื่อนที่ถึงกันได้อยู่แล้ว

ทำไมแอโนดตะกั่วในบ่อโครเมี่ยมไม่หมดเหมือนแอโนดทองแดง

เพราะเป็นแอโนดแบบไม่ละลาย มันเป็นแค่ทางให้ไฟฟ้าเข้าน้ำยา โครเมียมที่เกาะชิ้นงานมาจากกรดโครมิกในน้ำยา

ทำไมชุบจริงได้บางกว่าที่คำนวณ

เพราะไฟฟ้าบางส่วนไปแยกน้ำเป็นแก๊สแทนที่จะกลายเป็นโลหะ และชิ้นงานแต่ละจุดได้ไฟฟ้าไม่เท่ากัน ส่วนที่เว้าลึกได้น้อยกว่าขอบและมุม

ไฟฟ้าเคมี กับ เคมีไฟฟ้า ต่างกันไหม

เป็นคำเดียวกัน (Electrochemistry) ตำราไทยใช้ทั้งสองแบบ

รังสีแคโทด เกี่ยวกับแคโทดในเซลล์ไหม

ชื่อเหมือนกัน แต่รังสีแคโทดคือลำอิเล็กตรอนในหลอดสุญญากาศ เป็นเรื่องฟิสิกส์ ไม่เกี่ยวกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี

แหล่งอ้างอิง

• LibreTexts Chemistry, "Electrochemistry" และตาราง Standard Reduction Potentials: chem.libretexts.org
• Royal Society of Chemistry, "Electrolysis": edu.rsc.org
• บทเรียนเคมี ม.5 เรื่องเซลล์เคมีไฟฟ้า สสวท.: scimath.org
• ประสบการณ์ทีม POMEW ในการผลิตแอโนดตะกั่วและฮีตเตอร์สำหรับบ่อชุบโลหะ