เซลล์อิเล็กโทรไลติก (electrolytic cell) คือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานเคมี เกิดจากการผ่านไฟฟ้ากระแสตรงลงในสารเคมีที่อยู่ในเซลล์ไฟฟ้าเคมี แล้วทำให้เกิดปฏิกิริยาขึ้น 

อิเล็กโทรไลซิส (electrolysis) คือ กระบวนการที่เกิดจากการผ่านกระแสไฟฟ้าลงในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ หรือสารประกอบไอออนิกหลอมเหลวทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น ซึ่งลักษณะสำคัญของอิเล็กโทรลิซิส มีดังนี้

- กระแสไฟฟ้าที่ผ่านลงไปในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสต้องเป็นไฟฟ้ากระแสตรงเท่านั้น

- ขั้วที่นิยมใช้ส่วนใหญ่เป็นขั้วเฉื่อย เช่น Pt หรือ C (แกรไฟต์) แต่ในบางกรณีขั้วอาจเข้าไปมีส่วนร่วมในการเกิดปฏิกิริยา

- เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ ซึ่งมีค่า Ecell0 เป็นลบ

- ในทางปฏิบัติ ค่า Ecell0 ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาขึ้นได้ จะมีค่ามากกว่า Ecell0 ที่คำนวณได้ เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า overvoltage

- ขั้วที่ต่อกับขั้วลบของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า เรียกว่า ขั้วลบ หรือขั้วแคโทด อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วลบของแหล่งกำเนิดไฟฟ้าออกมา ทำให้บริเวณขั้วลบนี้จะมีปฏิกิริยาการรับอิเล็กตรอน (ปฏิกิริยารีดักชัน) เกิดขึ้น

- ขั้วที่ต่อกับขั้วบวกของแหล่งกำเนิดไฟฟ้า เรียกว่า ขั้วบวก หรือขั้วแอโนด อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วเข้าไปที่แหล่งกำเนิดไฟฟ้า ทำให้บริเวณขั้วบวกนี้จะมีปฏิกิริยาการจ่ายอิเล็กตรอน (ปฏิกิริยาออกซิเดชัน) เกิดขึ้น

กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสที่ควรรู้จัก มี 2 กระบวนการ ได้แก่ การแยกสารไอออนิกที่หลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟ้า และการแยกสารละลายด้วยกระแสไฟฟ้า

1. การแยกสารประกอบไอออนิกหลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟ้า มีหลักการ ดังนี้

- เมื่อสารประกอบไอออนิกหลอมเหลวจะแยกออกมาเป็นไอออนบวกและไอออนลบ

- ไอออนบวกจะเคลื่อนที่ไปรับอิเล็กตรอนด้านขั้วลบ หรือขั้วแคโทด

- ไอออนลบจะเคลื่อนที่ไปจ่ายอิเล็กตรอนให้ด้านขั้วบวก หรือขั้วแอโนด

2. การแยกสารละลายด้วยกระแสไฟฟ้า มีหลักการคล้ายกับการแยกสารประกอบไอออนิกหลอมเหลวด้วยกระแสไฟฟ้า แต่การแยกสารละลายด้วยกระแสไฟฟ้าจะมีน้ำเข้ามาเกี่ยวข้อง โดยสารละลายที่จะนำมาแยกด้วยกระแสไฟฟ้านี้ จะต้องมีความเข้มข้นประมาณ 0.1 – 1.0 โมล/ลูกบาศก์เดซิเมตร ซึ่งประกอบด้วยตัวละลายและตัวทำละลายในปริมาณพอ ๆ กัน

ในการพิจารณาว่า จะเกิดปฏิกิริยาอะไรขึ้นที่ขั้วใด มีหลักการดังนี้

- เมื่อสารประกอบละลายน้ำจะแยกออกมาเป็นไอออนบวกและไอออนลบ

- ไอออนบวกจะเคลื่อนที่ไปรับอิเล็กตรอนด้านขั้วลบ หรือขั้วแคโทด และนอกจากนี้น้ำยังสามารถเคลื่อนที่มารับอิเล็กตรอนได้อีกด้วย

ในการพิจารณาว่าจะเกิดปฏิกิริยาใดนั้น ให้สังเกตที่ E0 ที่ด้านนี้สารที่มีค่า E0 มากกว่าจะเป็นสารที่รับอิเล็กตรอนได้ดีกว่า และเกิดสารนั้นขึ้น

- ไอออนลบจะเคลื่อนที่ไปจ่ายอิเล็กตรอนให้ด้านขั้วบวก หรือขั้วแอโนด และเช่นเดียวกันน้ำยังสามารถเคลื่อนที่มาจ่ายอิเล็กตรอนได้อีกด้วย

ในการพิจารณาว่าจะเกิดปฏิกิริยาใดนั้น ให้สังเกตที่ E0 ที่ด้านนี้สารที่มีค่า E0 น้อยกว่าจะเป็นสารที่จ่ายอิเล็กตรอนได้ดีกว่า และเกิดสารนั้นขึ้น

ข้อสังเกต

• ขั้วบวกและขั้วลบจะได้รับสารที่มาจากตัวละลายและตัวทำละลาย

• การพิจารณาว่าจะเกิดปฏิกิริยาอะไรให้สังเกตที่ค่า E0

  • ด้านแคโทด จะเกิดปฏิกิริยาที่มีค่า E0 สูง

  • ด้านแอโนด จะเกิดปฏิกิริยาที่มีค่า E0 ต่ำ

• ถ้าขั้วเฉื่อย ไม่ต้องนำขั้วมาพิจารณาด้วย

• สารละลายอิเล็กโทรไลต์ ถ้าไม่ระบุตัวทำละลาย ให้ถือว่าเป็นน้ำ

• ถ้าเซลล์ไฟฟ้าไม่ระบุขั้ว ให้ถือว่าเป็นขั้วเฉื่อย เช่น Pt C (แกรไฟต์)

การแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า ทำได้โดยผ่านกระแสไฟฟ้าลงในบีกเกอร์น้ำกลั่น ที่มีการเติมสารละลายกรด H2SO4  หรือ Na2SO4 ลงไปเพื่อให้เกิดสภาพการนำไฟฟ้าที่ดี

ที่ขั้วแคโทด : หากใช้ H2SO4 เป็นอิเล็กโทรไลต์ ไอออนที่มารับอิเล็กตรอน คือ H+ และ H2O ซึ่งเมื่อพิจาณาแล้วจะพบว่า H+ มีค่า E0 สูงกว่า จึงรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่า H2O ดังนั้นที่ขั้วนี้จึงเกิด H2 ขึ้น

แต่ถ้าใช้ Na2SO4 เป็นอิเล็กโทรไลต์ ไอออนที่มารับอิเล็กตรอนคือ Na+ ซึ่ง H2O จะมีค่า E0 สูงกว่า จึงรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่า Na+ แต่อย่างไรก็ตาม เมื่อน้ำรับอิเล็กตรอนแล้วก็ให้ H2 เช่นกัน

ที่ขั้วแอโนด : ไอออนที่ทำหน้าที่ให้อิเล็กตรอนคือ SO42- นอกจานี้ น้ำยังสามารถให้อิเล็กตรอนได้อีกด้วย ซึ่งเมื่อพิจาณาจะเห็นพบว่า H2O มีค่า E0 ต่ำกว่า จึงจ่ายอิเล็กตรอนได้ดีกว่า SO42- ดังนั้น ที่ขั้วนี้จึงเกิด O2 ขึ้น

การแยกสารละลายโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ด้วยกระแสไฟฟ้า เมื่อ NaCl ละลายน้ำ จะแยกออกมาเป็น Na+ และ Cl- ซึ่งไอออนแต่ละชนิดจะเคลื่อนที่ไปที่ขั้วต่าง ๆ และเกิดปฏิกิริยาดังนี้

ที่ขั้วแอโนด : ไอออนที่ทำหน้าที่ให้อิเล็กตรอน คือ Cl- และน้ำก็สามารถให้อิเล็กตรอนได้เช่นกัน เมื่อพิจารณาค่า E0 พบว่า H2O มีค่า E0 ต่ำกว่า จึงให้อิเล็กตรอนได้ดีกว่า Cl ดังนั้น ที่ขั้วนี้จึงเกิด O2 ขึ้น

ที่ขั้วแคโทด : ไอออนที่ทำหน้าที่รับอิเล็กตรอน คือ Na+ และน้ำก็สามารถรับอิเล็กตรอนได้เช่นกัน เมื่อพิจารณาค่า E0 พบว่า H2O มีค่า E0 สูงกว่า จึงรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่า Na+ ดังนั้น ที่ขั้วนี้จึงเกิด H2 ขึ้น

ในทางทฤษฎี พบว่า การแยกสารละลาย NaCl ด้วยไฟฟ้า จะเกิด H2 ที่ขั้วแคโทด และ O2 ที่ขั้วแอโนด และต้องใช้ความต่างศักย์อย่างน้อย 2.06 โวลต์ เพื่อที่จะทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้

แต่ในทางปฏิบัติ จะต้องใช้ความต่างศักย์ประมาณ 3.0 โวลต์ เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยา เมื่อพิจารณาค่า Cl2 และ H2O จะพบว่า มีความต่างศักย์ใกล้เคียงกัน จึงเกิดปรากฏการณ์ Overvoltage ขึ้น ทำให้ Cl- จ่ายอิเล็กตรอนได้ดีกว่า H2O ดังนั้น ที่ขั้วแอโนดจึงเกิด Cl2 แทน

ปิตุพร  พิมพาเพชร