หมายเลขการขนส่งไอออน
ในวิชาเคมีเลขการขนส่งไอออนหรือที่เรียกว่าเลขการถ่ายโอนคือเศษส่วนของกระแสไฟฟ้า ทั้งหมด ที่นำพาในอิเล็กโทรไลต์โดยชนิดไอออน ที่กำหนด i : [ 1 ] [ 2 ]
ความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การนำไฟฟ้าเกิดจากความแตกต่างของความคล่องตัวทางไฟฟ้าตัวอย่างเช่น ในสารละลายโซเดียมคลอไรด์ใน น้ำ กระแสไฟฟ้าน้อยกว่าครึ่งหนึ่งถูกนำพาโดยไอออนโซเดียมที่มีประจุบวก (แคตไอออน) และมากกว่าครึ่งหนึ่งถูกนำพาโดยไอออนคลอไรด์ที่มีประจุลบ (แอนไอออน) เนื่องจากไอออนคลอไรด์สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่า กล่าวคือ ไอออนคลอไรด์มีความคล่องตัวสูงกว่าไอออนโซเดียม ผลรวมของค่าสัมประสิทธิ์การนำไฟฟ้าของไอออนทั้งหมดในสารละลายจะเท่ากับหนึ่งเสมอ
แนวคิดและการวัดหมายเลขการขนส่งได้รับการแนะนำโดยJohann Wilhelm Hittorfในปี พ.ศ. 2396 [ 3 ]ศักยภาพของจุดเชื่อมต่อของเหลวสามารถเกิดขึ้นได้จากไอออนในสารละลายที่มีหมายเลขการขนส่งไอออนที่แตกต่างกัน
ที่ความเข้มข้นเป็นศูนย์ ตัวเลขการขนส่งไอออนที่จำกัดอาจแสดงได้ในรูปของค่าการนำไฟฟ้าโมลาร์ ที่จำกัด ของแคตไอออน ( ), แอนไอออน ( )และอิเล็กโทรไลต์ ( )) :
และ
ที่ไหนและคือจำนวนของแคตไอออนและแอนไอออนตามลำดับต่อหน่วยสูตรของอิเล็กโทรไลต์ [ 1 ]ในทางปฏิบัติ ค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกโมลาร์จะคำนวณจากจำนวนการขนส่งไอออนที่วัดได้และค่าการนำไฟฟ้าโมลาร์รวม สำหรับแคตไอออนและเช่นเดียวกันสำหรับแอนไอออน ในสารละลายที่ การสร้างเชิงซ้อน หรือการเชื่อมโยงของไอออนมีความสำคัญ สามารถกำหนดตัวเลขการขนส่ง/การถ่ายโอนที่แตกต่างกันสองแบบได้[ 4 ]
ความสำคัญในทางปฏิบัติของค่าการถ่ายโอนไอออนที่ถ่ายโอนประจุ (เช่น Li +ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ) ที่สูง (เช่น ใกล้เคียง 1) เกี่ยวข้องกับข้อเท็จจริงที่ว่าในอุปกรณ์ไอออนเดี่ยว (เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน) อิเล็กโทรไลต์ที่มีค่าการถ่ายโอนไอออนใกล้เคียง 1 จะไม่เกิดการไล่ระดับความเข้มข้น ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์จะคงที่ตลอดวงจรการชาร์จและการคายประจุ ในกรณีของอิเล็กโทรดที่มีรูพรุนการใช้ประโยชน์จากวัสดุอิเล็กโทรแอคทีฟที่เป็นของแข็งได้อย่างสมบูรณ์มากขึ้นที่ความหนาแน่นกระแสสูงเป็นไปได้ แม้ว่าการนำไฟฟ้าของไอออนในอิเล็กโทรไลต์จะลดลงก็ตาม[ 5 ] [ 4 ]
การวัดเชิงทดลอง
มีเทคนิคการทดลองหลายวิธีสำหรับการกำหนดหมายเลขการขนส่ง[ 4 ] วิธีHittorfขึ้นอยู่กับการวัดการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของไอออนใกล้กับอิเล็กโทรดวิธีขอบเขตเคลื่อนที่เกี่ยวข้องกับการวัดความเร็วของการเคลื่อนที่ของขอบเขตระหว่างสารละลายสองชนิดเนื่องจากกระแสไฟฟ้า[ 6 ]
วิธีการฮิตทอร์ฟ
วิธีนี้ได้รับการพัฒนาโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันโยฮันน์ วิลเฮล์ม ฮิตทอร์ฟในปี พ.ศ. 2496 [ 6 ]และอิงตามการสังเกตการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ในบริเวณใกล้เคียงกับอิเล็กโทรด ในวิธีของฮิตทอร์ฟ การอิเล็กโทรไลซิสจะดำเนินการในเซลล์ที่มีสามส่วน ได้แก่แอโนดส่วนกลาง และแคโทดการวัดการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นในส่วนของแอโนดและแคโทดจะกำหนดตัวเลขการขนส่ง[ 7 ]ความสัมพันธ์ที่แน่นอนขึ้นอยู่กับลักษณะของปฏิกิริยาที่อิเล็กโทรดทั้งสอง สำหรับการอิเล็กโทรไลซิสของคอปเปอร์(II) ซัลเฟต น้ำ ( CuSO4 )เป็นตัวอย่าง โดยมี ไอออน Cu2 + (aq)และSO2−4 ( aq)ปฏิกิริยาที่แคโทดคือการรีดักชันCu2 + (aq) + 2 e− → Cu(s)และปฏิกิริยาที่แอโนดคือการออกซิเดชันที่สอดคล้องกันของ Cu เป็นCu2 +ที่แคโทด การผ่านของคูลอม บ์ของกระแสไฟฟ้านำไปสู่การลดลงของโม ลของ Cu 2+โดยที่คือค่าคงที่ฟาราเดย์เนื่องจาก ไอออน Cu 2+พกพาเศษส่วนหนึ่งของกระแสไฟฟ้า ปริมาณCu 2+ที่ไหลเข้าสู่ช่องแคโทดคือโมล ดังนั้นจึงมีการลดลงสุทธิของCu 2+ในช่องแคโทดเท่ากับ[ 8 ]การลดลงนี้อาจวัดได้ด้วยการวิเคราะห์ทางเคมีเพื่อประเมินตัวเลขการขนส่ง การวิเคราะห์ช่องแอโนดจะให้ค่าคู่ที่สองเพื่อตรวจสอบ ในขณะที่ไม่ควรมีการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นในช่องกลาง เว้นแต่การแพร่กระจายของสารละลายจะนำไปสู่การผสมอย่างมีนัยสำคัญในช่วงเวลาของการทดลองและทำให้ผลลัพธ์ไม่ถูกต้อง[ 8 ]
วิธีขอบเขตเคลื่อนที่
วิธีนี้ได้รับการพัฒนาโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษOliver Lodgeในปี 1886 และWilliam Cecil Dampierในปี 1893 [ 6 ]วิธีนี้ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของขอบเขตระหว่างอิเล็กโทรไลต์ที่อยู่ติดกันสองตัวภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าหากใช้สารละลายสีและอินเทอร์เฟซยังคงคมชัดพอสมควร ความเร็วของขอบเขตที่เคลื่อนที่สามารถวัดได้และใช้เพื่อกำหนดตัวเลขการถ่ายโอนไอออน
ไอออนบวกของอิเล็กโทรไลต์ตัวบ่งชี้ไม่ควรเคลื่อนที่เร็วกว่าไอออนบวกที่ต้องการหาค่าเลขการขนส่ง และควรมีไอออนลบเดียวกันกับอิเล็กโทรไลต์หลัก นอกจากนี้ อิเล็กโทรไลต์หลัก (เช่น HCl) ควรมีน้ำหนักเบาเพื่อให้ลอยอยู่บนอิเล็กโทรไลต์ตัวบ่งชี้CdCl₂ เหมาะที่สุดเพราะ Cd²⁺ เคลื่อนที่ได้น้อย H⁺ และ Cl⁻ มีอยู่ในทั้งและอิ เล็ก โทรไลต์หลัก HCl
ตัวอย่างเช่น สามารถกำหนดเลขการขนส่งของกรดไฮโดรคลอริก (HCl(aq)) ได้โดยการอิเล็กโทรไลซิสระหว่างแอโนดแคดเมียมและแคโทด Ag-AgCl ปฏิกิริยาแอโนดคือ Cd → Cd 2+ + 2 e −ทำให้ เกิดสารละลาย แคดเมียมคลอไรด์ ( CdCl ) ใกล้กับแอโนดและเคลื่อนที่ไปยังแคโทดในระหว่างการทดลอง มีการเติมตัวบ่งชี้กรด-เบสเช่น โบ รโมฟีนอลบลูเพื่อให้มองเห็นขอบเขตระหว่างสารละลาย HCl ที่เป็นกรดและสารละลายCdCl [ 9 ]ขอบเขตมีแนวโน้มที่จะยังคงคมชัด เนื่องจากสารละลาย HCl ที่นำหน้ามีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าสารละลายตัวบ่งชี้CdCl และดังนั้นจึงมีสนามไฟฟ้าที่ต่ำกว่าในการนำกระแสไฟฟ้าเดียวกัน หาก ไอออน H + ที่เคลื่อนที่ได้มากกว่า แพร่เข้าไปใน สารละลาย CdCl มันจะถูกเร่งกลับไปยังขอบเขตอย่างรวดเร็วโดยสนามไฟฟ้าที่สูงกว่า หาก ไอออน Cd 2+ ที่เคลื่อนที่ได้น้อยกว่า แพร่เข้าไปในสารละลาย HCl มันจะชะลอตัวลงในสนามไฟฟ้าที่ต่ำกว่าและกลับไปยัง สารละลาย CdCl นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังถูกสร้างขึ้นโดยให้ขั้วบวกอยู่ต่ำกว่าขั้วลบ เพื่อให้ สารละลาย CdCl ที่มีความหนาแน่นมากกว่า ก่อตัวขึ้นที่ด้านล่าง[ 1 ]
จากนั้นจึงคำนวณค่าเลขการขนส่งแคตไอออนของสารละลายหลักได้ดังนี้
ที่ไหนคือประจุของแคตไอออน, cคือความเข้มข้น, Lคือระยะทางที่ขอบเขตเคลื่อนที่ในเวลาΔt , Aคือพื้นที่หน้าตัด, F คือค่าคงที่ของฟาราเดย์และIคือกระแสไฟฟ้า[ 1 ]
เซลล์ความเข้มข้น
ปริมาณนี้สามารถคำนวณได้จากความชันของฟังก์ชันประกอบด้วยเซลล์ความเข้มข้น สองเซลล์ โดยมีหรือไม่มีการขนส่งไอออน
ค่า EMF ของเซลล์ความเข้มข้นของการขนส่งนั้นเกี่ยวข้องกับทั้งเลขการขนส่งของแคตไอออนและสัมประสิทธิ์กิจกรรมของมัน:
ที่ไหนและคือค่ากิจกรรมของสารละลาย HCl ของอิเล็กโทรดด้านขวาและด้านซ้ายตามลำดับ และคือเลขการขนส่งของCl −
วิธีสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบอิเล็กโทรโฟเรติก
วิธีนี้ใช้ การสร้างภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของการกระจายตัวของไอออนที่ประกอบด้วยนิวเคลียสที่ไวต่อ NMR (โดยปกติคือ1 H, 19 F, 7 Li) ในเซลล์ไฟฟ้าเคมีเมื่อมีการใช้กระแสไฟฟ้า[ 10 ]
ดูเพิ่มเติม
หมายเหตุ
- 1 2 3 4 Peter Atkinsและ Julio de Paula, เคมีเชิงฟิสิกส์ (ฉบับที่ 8 สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด, 2006) หน้า 768-769 ISBN 0-7167-8759-8
- ↑ Bruce, Peter G. (1991). "การรวมตัวของไอออนในอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์: การขนส่งและการเพิ่มประสิทธิภาพวัสดุ" โลหะสังเคราะห์45 (45): 267-278
- ↑เส้นทางสู่ฟิสิกส์เคมีสมัยใหม่โดย ซัลวาตอเร คาลิฟาโน (สปริงเกอร์ 2012) หน้า 61 ISBN 9783642281808
- 1 2 3 Lacey, Matt (2023-07-02). "การขนส่งและการถ่ายโอนในอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่" . Matt Lacey . เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2023-07-03 . เรียกดูเมื่อ2025-10-07 .
- ↑ M. Doyle, TF Fuller และ J. Newman, "ความสำคัญของเลขการถ่ายโอนไอออนลิเธียมในเซลล์ลิเธียม/พอลิเมอร์" Electrochim Acta, 39, 2073 (1994) 10.1016/0013-4686(94)85091-7
- 1 2 3 Laidler KJและ Meiser JH,เคมีเชิงฟิสิกส์ (Benjamin/Cummings 1982) หน้า 276-280 ISBN 0-8053-5682-7
- ↑พจนานุกรมเคมีไฟฟ้า - H Corrosion Doctors
- 1 2หลักการและการประยุกต์ใช้ของเคมีไฟฟ้า DRCrow (ฉบับที่ 4, CRC Press 1994) หน้า 165-169 ISBN 0748743782
- ↑เลขการขนส่งและความคล่องตัวของไอออนโดยวิธีขอบเขตเคลื่อนที่ GA Lonergan และ DC Pepper, J. Chem. Educ., 1965, 42 (2), หน้า 82. doi:10.1021/ed042p82
- ↑ Klett, Matilda; Giesecke, Marianne; Nyman, Andreas; Hallberg, Fredrik; Lindström, Rakel Wreland; Lindbergh, Göran; Furó, István (2012). "การหาปริมาณการขนส่งมวลระหว่างการโพลาไรเซชันในอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยการถ่ายภาพ NMR 7Li แบบ in Situ " วารสารสมาคมเคมีอเมริกัน 134 ( 36): 14654– 14657. Bibcode : 2012JAChS.13414654K . doi : 10.1021/ja305461j . PMID 22900791 .