เซลล์อิเล็กโทรไลติก (electrolytic cell) สามารถนำไปประยุกต์เพื่อใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลาย เช่น การชุบด้วยไฟฟ้า การทำโลหะให้บริสุทธิ์ การผลิตโลหะอะลูมิเนียม การผลิตโลหะแมกนีเซียม เป็นต้น

1. การชุบด้วยไฟฟ้า เป็นกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสที่ทำให้โลหะชนิดหนึ่งไปเคลื่อบบนโลหะอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งมีหลักการในการชุบ ดังนี้

- นำโลหะที่จะชุบไว้ที่ด้านแคโทด (ขั้วลบ)

- ต้องการชุบด้วยโลหะใด ให้ใช้โลหะนั้นเป็นขั้วแอโนด (ขั้วบวก)

- สารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้จะเป็นไอออนตัวเดียวกับไอออนของโลหะที่ขั้วแอโนดหรือโลหะที่จะใช้ชุบ

- ผ่านกระแสไฟฟ้ากระแสตรงลงไป และให้ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่เหมาะสมสำหรับการชุบโลหะนั้นๆ

ตัวอย่างการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า เช่น การชุบช้อนด้วยเงิน ซึ่งจะต้องต่อช้อนเข้ากับขั้วลบ หรือขั้วแคโทด และต่อโลหะเงินไว้ทางขั้วบวก หรือขั้วแอโนด และสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้จะต้องเป็นสารละลายของ Ag+ เช่น สารละลาย AgNO3 เป็นต้น

ที่ขั้วแคโทด : Ag+ ที่อยู่ในสารละลายจะเข้ามารับอิเล็กตรอนที่ผ่านลงมาจากช้อน แล้วกลายเป็น Ag เกาะที่ช้อน และเคลือบช้อนเอาไว้

ที่ขั้วแอโนด : แท่งเงินจะเสียอิเล็กตรอน ทำให้เกิด Ag+ ลงในสารละลาย แผ่นเงินจึงสึกกร่อนไปเรื่อย ๆ

จะเห็นว่า การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า สารละลายอิเล็กโทรไลต์จะมีความเข้มข้นคงที่เสมอ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่ขั้วเท่านั้น

การชุบโลหะนอกจากจะเป็นการป้องกันไม่ให้โลหะที่ถูกชุบสึกกร่อนแล้ว ยังทำให้โลหะมีความสวยงามและคงทนอีกด้วย

2. การทำโลหะให้บริสุทธิ์โดยใช้เซลล์อิเล็กโทรไลติก เป็นกระบวนการหนึ่งที่ใช้ในการกำจัดมลทินที่ติดมาจากการถลุงแร่ เป็นการทำโลหะที่ได้ให้มีความบริสุทธิ์มากขึ้น เรียกกระบวนการนี้ว่า eletrorefining ซึ่งมีหลักการดังนี้

1. นำโลหะที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์ต่อเข้ากับขั้วแอโนด (ขั้วบวก)

2. นำโลหะที่บริสุทธิ์ต่อเข้ากับขั้วแคโทด (ขั้วลบ)

3. สารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้จะเป็นไอออนตัวเดียวกับไอออนของโลหะที่ขั้วแอโนดหรือโลหะที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์

4. ผ่านกระแสไฟฟ้ากระแสตรงเข้าไป และให้ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ที่เหมาะสมสำหรับการทำโลหะนั้น ๆ ให้บริสุทธิ์

โลหะที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์จะมีมลทินปนอยู่เล็กน้อย ซึ่งแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้

• มลทินที่เป็นโลหะที่มีค่า E0 ต่ำกว่าโลหะที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์ โลหะพวกนี้จะถูกออกซิไดส์เป็นไอออนบวกในสารละลายอิเล็กโทรไลต์นั้น

• มลทินที่เป็นโลหะที่มีค่า E0 สูงกว่าโลหะที่ต้องการทำให้บริสุทธิ์ โลหะพวกนี้จถูกออกซิไดส์ยาก จึงถูกผลักออกมาเป็นตะกอนโลหะที่ก้นบีกเกอร์

ตัวอย่างการทำโลหะให้บริสุทธ์ เช่น

การทำทองแดงให้บริสุทธิ์

การแยกทองแดงบริสุทธิ์ออกจากโลหะผสมของแร่ทองแดงจะต้องต่อโลหะทองแดงบริสุทธิ์เข้ากับขั้วลบหรือขั้วแคโทด และต่อโลหะทองแดงที่ไม่บริสุทธิ์ไว้ทางขั้วบวก หรือขั้วแอโนด สารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้จะต้องเป็นสารละลายของ Cu2+ เช่น สารละลาย CuSO4 เป็นต้น ซึ่งจะมีปฏิกิกริยาดังนี้

ที่ขั้วแคโทด : Cu2+ ที่อยู่ในสารละลายจะเข้ามารับอิเล็กตรอนที่ผ่านลงมา แล้วกลายเป็น Cu เกาะที่ก้อนทองแดงบริสุทธิ์

ที่ขั้วแอโนด : ทองแดงที่อยู่ในโลหะทองแดงที่ไม่บริสุทธิ์จะเสียอิเล็กตรอน ทำให้เกิด Cu2+ ลงในสารละลายโลหะทองแดงที่ไม่บริสุทธิ์จึงสึกกร่อนไปเรื่อย ๆ ทำให้สารละลายอิเล็กโทรไลต์จะมีความเข้มข้นคงที่เสมอ

นอกจากนี้โลหะอื่นที่มีค่า E0 ต่ำกว่าโลหะทองแดง จะสามารถถูกออกซิไดส์ไปเป็นไอออนบวกได้อีก ในทางตรงกันข้าม โลหะอื่นที่มีค่า E0 สูงกว่าโลหะทองแดง จะถูกผลักให้ตกลงมาเป็นตะกอนที่ก้นภาชนะ เช่น ทองคำ เงิน เป็นต้น

ดังนั้น การแยกทองแดงบริสุทธิ์ออกจากโลหะผสมของแร่ทองแดง จะได้ทองแดงที่บริสุทธิ์ถึงร้อยละ 99.5 และยังได้ตะกอนของโลหะทองคำและเงินตกตะกอนที่ก้นบีกเกอร์ด้วย

การเตรียมโลหะโซเดียม

สามารถเตรียมได้จากโซเดียมคลอไรด์หลอมเหลวในเซลล์ ซึ่งประกอบด้วยขั้วแคโทดที่ทำมาจากเหล็ก และขั้วแอโนดที่ทำมาจากคาร์บอน แยกออกจากกันโดยมีตะแกรงเหล็กกั้น 

ในการเตรียมโลหะโซเดียมจากโซเดียมคลอไรด์หลอมเหลวจะได้ผลิตภัณฑ์เป็นโซเดียม และแก๊สคลอรีน ซึ่งสารทั้ง 2 ตัวนี้จะเป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมหลายประเภท เช่น การผลิตโซดาไฟ การผลิตสารฟอกขาว เป็นต้น

การผลิตโลหะอะลูมิเนียม

วัตถุดิบในการผลิตอะลูมิเนียมทั่วไป คือ แร่บอกไซต์ (Al2O3.2H2O) ซึ่งวิธีการผลิตเริ่มจากการนำแร่บอกไซต์มาแยกมลทินออก แล้วให้ความร้อนที่ 120 องศาเซลเซียส เพื่อให้น้ำหลุดออกไป เหลือแต่ Al2O3 หลังจากนั้นจึงนำ Al2O3 มาผลิตเป็นอะลูมิเนียม (Al) ซึ่งสามารถทำได้ 2 วิธี ดังนี้

วิธีที่ 1 แยก Al ออกจาก Al2O3 ด้วยตัวรีดิวซ์ ซึ่งวิธีนี้หาตัวรีดิวซ์ที่เหมาะสมได้ยาก เนื่องจาก Al มีค่าศักย์ไฟฟ้าต่ำ และต้องใช้ความร้อนที่สูงมาก จึงไม่เป็นที่นิยม

วิธีที่ 2 แยก Al ออกจาก Al2O3 ด้วยไฟฟ้า ซึ่งก่อนจะแยก Al2O3 ด้วยไฟฟ้า จะต้องนำ Al2O3 มาหลอมเหลวก่อน เนื่องจาก Al2O3 มีจุดหลอมเหลวที่สูงมาก โดยการเติมสินแร่ไครโอไลต์ (Na3AlF6) ลงไป เพื่อทำให้จุดหลอมเหลวของ Al2O3 ต่ำลง

วิธีการแยก Al2O3 ด้วยไฟฟ้า จะมีค่าใช้จ่ายสูงมาก และยังเกิด CO2 หรือ CO ที่ขั้วแอโนด ทำให้เกิดมลทินภาวะทางอากาศ ดังนั้น จึงนิยมนำ Al ที่ใช้แล้วกลับมาหลอมใช้ใหม่

การผลิตโลหะแมกนีเซียม

เนื่องจาก Mg มีค่าศักย์ไฟฟ้าต่ำมาก ไม่สามารถหาตัวรีดิวซ์ที่เหมาะสมมารีดิวซ์ Mg2+ ให้เป็นโลหะแมกนีเซียมได้ การผลิตโลหะแมกนีเซียมจึงใช้วิธีแยกสารประกอบของโลหะแมกนีเซียมด้วยกระแสไฟฟ้า โดยมีขั้นตอน ดังนี้ นำน้ำทะเลมาเติมสารละลายเบส ทำให้เกิดตะกอนของ Mg(OH)2 มาเติม HCl เพื่อให้ได้เกลือของ MgCl2 และทำการระเหยน้ำออก เพื่อให้ได้ผลิต MgCl2 จากนั้นนำ MgCl2 มาทำให้หลอมเหลว ที่อุณหภูมิ 700 องศาเซลเซียส สุดท้ายนำ MgCl2 มาแยกด้วยวิธีอิเล็กโทรไลซิส ก็จะได้โลหะ Mg ออกมา

ปิตุพร  พิมพาเพชร