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북일고등학교 화학실험 화학전지(2조)
- 2. PURPOSE • 전지의 원리를 산화-환원 반응으로 설명할 수 있다. • 기전력의 개념을 이해하고, 표준 환원 전위표에 나타난 전극 전위를 설명할 수 있다. • 간이 표준 수소 전극을 이용해 각 반쪽 전지들의 전극 전위를 측정할 수 있다. • 간단한 반쪽 전지를 이용해 여러 전지를 만들어 보고 기전력을 측정할 수 있다. • 일상생활에서 많이 접하는 사물에 대해 과학적으로 접근하는 태도를 가진다.
- 3. INTRODUCTION
- 4. 전극 전위 • 화학 전지 내에서 산화환원 반응이 일어나면서 전자의 이동으로 인해 생기게 되는 두 전 극 사이의 전위차를 기전력이라고 한다. 전지의 기전력은 2개의 반쪽 전지를 도선으로 연결했을 때 일어나는 전자의 이동으로 인해 생기기 때문에 반쪽 전지만으로는 측정할 수 없다. 따라서 표준 수소 전극을 기준으로 표준 수소 전극과 다른 반쪽 전지로 이루어 진 전지의 기전력을 측정하여 각 반쪽 전지 전위의 상대적인 크기를 정하게 된다. 이를 그 반쪽 전지의 전극 전위라고 한다.
- 5. 전극 전위차(기전력) • 화학 전지 내에서 산화환원 반응이 일어나면 두 전극 사이에 전위차가 생겨 전자가 이동하는데, 이때 두 전 극 사이의 전위차(전압)를 기전력이라 한다.
- 6. 표준 환원 전위 • 𝐸0 환원이라 나타낸다. 표준 수소 전극과 연결하여 측정한 반쪽 전지의 전 위를 환원 반응의 형태로 나타냈을 때의 전위. 표준 환원 전위가 클수록 환원되기 쉽고, 산화력이 크다. 표준 환원 전위값이 (+)이면 수소보다 환원 되기 쉽고, (-)이면 수소보다 환원되기 어렵다. 전지에서는 표준 환원 전위 가 큰 쪽이 (+)극, 작은 쪽이 (-)극이 된다.
- 7. 볼타 전지 • 아연판과 구리판을 묽은 황산에 담그고 도선으로 연결한 전지 • 전지식 : (-) Zn | H2SO4(aq) | Cu (+) Zn (-극) 반반응 : Zn(s) → Zn2+ + 2e- (산화) Cu (+극) 반반응 : 2H+(aq) + 2e- → H2(g) (환원) 전체반응 : Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)
- 8. 다니엘 전지 • 볼타전지에서 수소 기체가 발생하여 분극 현 상이 일어나 전압이 떨어지는 현상을 방지하 기 위해 고안하였다. 황산아연 수용액에 아연 판을 넣은 반쪽 전지와 황산구리(ii) 수용액에 구리판을 넣은 반쪽 전지를 염다리로 연결한 전지 • (-) Zn | ZnSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu (+) Zn (-극) 반반응 : Zn(s) → Zn2+ + 2e- (산화) Cu (+극) 반반응 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (환원) 전체반응 : Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
- 9. 염다리 • 두 반쪽 전지의 전해질 용액이 섞이지 않게 하고, 이온을 이동시켜 전해질 용액에서 양이온과 음이온이 전하 균형을 이루게 한다. 전극 반응에 영향 을 주지 않는 염화칼륨, 질산칼륨, 황산나트륨 등을 한천 용액에 녹인 다 음 굳혀서 만든다. (-)극에서는 양이온이 생성되므로 염다리 안의 음이온 은 (-)극으로 이동한다. (+)극에서는 양이온이 소모되므로 염다리 안의 양 이온은 (+)극으로 이동한다.
- 10. 표준 수소 전극 • 25도에서 1M의 수소이온 수용액에 백금 전극을 꽂고, 이 백금 전극의 둘 레에 1기압의 수소 기체를 채워 놓은 반쪽 전지이다. 다른 반쪽 전지에 연 결하여 그 반쪽 전지의 전위를 측정하는 데 사용한다. 표준 수소 전극 전 위는 0.00V이므로 측정된 전압이 구하고자 하는 전극의 표준 전극 전위가 된다.
- 11. 화학 전지 • 화학 전지는 화학 반응으로 전기를 생산하는 전지로, 일반적으로 널리 쓰 이는 1.5V 건전지(갈바니 전지)부터 시작해 볼타전지, 다니엘 전지, 알칼 리 전지, 납 축전기, 수은 전지, 니켈-카드뮴 전지, 연료전지 등이 있다.
- 14. 아연판, 납판, 구리판, 은판, 백금선 • 백금선 : 금속 원소의 백금으로 만든 선. • 아연판 : 금속 원소의 아연으로 만든 판. 녹는점은 692.68k, 끓는 점 1180k. 산화수는 보통 2. • 납판 : 금속 원소의 납으로 만든 판. 녹는점은 606.61k, 끓는 점은 2022k. 산화수는 4, 2. • 구리판 : 금속원소의 구리로 만든 판. 녹는점 1357.77k, 끓는점은 2835k. 산화수는 2, 1. • 은판 : 금속원소의 은으로 만든 판. 녹는점 1234.93k, 끓는점은 2435k. 산화수는 1이다.
- 15. 황산구리 수용액, 황산아연 수용액, 염산 질산납 수용액, 질산은 수용액, 질산칼륨 수용액 • 황산구리(ii) : 화학식량 159.91g/mol, 수용액으로 만들려면 부피 1L에 159.91g 들어간 수용액이어 야 한다. • 황산아연 : 화학식량 287.56g/mol, 수용액으로 만들려면 부피 1L에 287.56g 들어간 수용액이어야 한다. • 질산은 : 화학식량 169.87g/mol, 수용액으로 만들려면 부피 1L에 169.87g 들어간 수용액이어야 한 다. • 질산칼륨 : 화학식량 101.10g/mol, 수용액으로 만들려면 부피 1L에 101.1g 들어간 수용액이어야 한 다. • 염산 : 화학식량 36.5g/mol, 염산은 강산이므로 취급에 주의하여야 한다. 보통은 물에 희석한 묽은 염산이 많이 쓰인다. • 황산납 : 황산납은 납의 황산염으로 흰색, 노란색을 띄고 있는 가루 모양의 결정이다.
- 16. 한천 • 우뭇가사리의 점장을 동결건조한 젤라틴과 비슷한 물성을 가진 투명체. 한천과 염화칼륨을 섞어 굳힌 후 염다리로 이용한다.
- 18. 간이 표준 수소 전극 제작 및 반쪽 전지 만들기
- 19. 전극 전위 측정
- 20. DATA&RESULT
- 21. 각 반쪽 전지의 전극 전위 측정값 전지 Ag Pb Cu Zn 전극 전위(V) +0.80 -0.10 +0.36 -0.70
- 22. 염산 전기 분해시 나타나는 현상 • (+)극에서는 Cl2 기체가 발생하고, • (-)극에서는 H2기체가 발생한다.
- 23. 아연 반쪽 전지를 산화 전극으로 놓고, 환원 전극을 다른 반쪽 전지로 바꿔가며 측정한 전위 값 산화전극(-) - (+)환원전극 예상 기전력값(V) 실험값의 기전력값(V) 이론상의 기전력값(V) Pb| PbSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu 0.46 0.46 0.47 Zn | ZnSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu 1.06 1.07 1.10 Zn| ZnSO4(aq) || AgNo3(aq) | Ag 1.50 1.51 1.56 Pb | PbSO4(aq) || AgSO4(aq) | Ag 0.90 0.92 0.93 Cu | CuSO4(aq) || AgNo3(aq) | Ag 0.44 0.44 0.46 Zn | ZnSO4(aq) || PbSO4(aq) | Pb 0.60 0.59 0.63
- 24. DISCUSSION
- 25. 1.0M 염산 수용액을 전기 분해할 때 각 전극에서 일어나는 반응 • (-)극에서 반응할 수 있는 양이온 : 𝐻+ 반응할 수 있는 양이온이 수소이온밖에 없으므로 수소기체가 발생한다. • (+)극에서 반응할 수 있는 음이온 : 𝑂2− , 𝐶𝑙− • 반응할 수 있는 음이온 𝑂2−, 𝐶𝑙−중 2𝐻2𝑂 𝑙 → 𝑂2 𝑔 + 4𝐻+ aq + 4𝑒− 표준 산화 전위 1.23V 2𝐶𝑙− 𝑎𝑞 → 𝐶𝑙2 𝑔 + 2𝑒− 표준 산화 전위 1.36V 염소 이온이 표준산화전위가 더 크므로 염소 기체가 생성된다.
- 26. 금속의 반쪽 전지의 환원 전위를 측정할 때 사용하는 반쪽 전지의 역할 • 25도에서 1M의 수소이온 수용액에 백금 전극을 꽂고, 이 백금 전극의 둘레에 1기압의 수 소 기체를 채워 놓은 반쪽 전지이다. 다른 반쪽 전지에 연결하여 그 반쪽 전지의 전위를 측정하는 데 사용한다. 표준 수소 전극 전위는 0.00V이므로 측정된 전압이 구하고자 하 는 전극의 표준 전극 전위가 된다. 이 표준수소전극을 기준으로 수소보다 환원이 잘되면 표준환원전위의 값이 (+)가 되고, 산화가 잘되면 표준환원전위의 값이 (-)가 된다.
- 27. 측정한 각 반쪽 전지의 전극 전위와 표준 환원 전위 비교 전극 반응(반쪽 반응) E°(V) 실험값 𝑍𝑛2+ + 2𝑒− → 𝑍𝑛 -0.76 -0.70 𝑃𝑏2+ + 2𝑒− → 𝑃𝑏 -0.13 -0.10 2𝐻+ + 2𝑒− → 𝐻2 0 - 𝐶𝑢2+ + 2𝑒− → 𝐶𝑢 +0.34 +0.36 𝐴𝑔+ + 𝑒− → 𝐴𝑔 +0.80 +0.80
- 28. 아연판과 구리판에서 일어난 반응 • 아연이 구리보다 이온화 경향이 크므로 산화전극으로서 전자 를 생성하고 아연이온을 내놓는다. 그래서 아연은(-)극이다. • 구리가 아연보다 이온화 경향이 작으므로 환원전극으로서 전 자를 받아들이고 구리이온이 구리가 된다. 고로 구리는(+)이다. • (-) Zn | ZnSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu (+) (-극) 반반응 : Zn(s) → Zn2+ + 2e- (산화) (+극) 반반응 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (환원) 전체반응 : Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) • 아연판의 질량은 감소하고, 구리판의 질량은 증가 큼 이온화경향 작음 K-Ca-Na-Mg-Al-Zn-Fe-Ni-Sn-Pb-(H)-Cu-Hg-Ag-Pt-Au 𝐸0 환원=-0.76V 𝐸0 환원 = +0.34𝑉 𝐸0 = +1.10𝑉
- 29. 스포이드를 막은 AGAR SALT GEL(염다리)의 역할 • 두 반쪽 전지의 전해질 용액이 섞이지 않게 하고, 이온을 이동시켜 전해질 용액에서 양이온과 음이온이 전하 균형(중성)을 이루게 한다. 전극 반응에 영향을 주지 않는 염화칼륨, 질산칼륨, 황산나트륨 등을 한천 용액에 녹인 다음 굳혀서 만든다. (-)극에서는 양이온이 생성되므로 염다리 안의 음이 온은 (-)극으로 이동한다. (+)극에서는 양이온이 소모되므로 염다리 안의 양이온은 (+)극으로 이동한다.
- 30. 실험결과에 대한 고찰 • 도선의 저항 • 측정기기의 한계 • 처음부터 용액을 잘못 만들었을 가능성(표준용액의 오차) • 염다리를 잘못 끼워 용액이 새서 다른 용액과 반응하여 염을 생성했을 가능성 • 용액의 상태가 표준상태가 아닐 수 있다.(네른스트 식) ∆𝐸 = ∆𝐸° − 2.303 𝑅𝑇 𝑛𝐹 log 𝑄
- 31. Q: 실험1에서 백금선에 전류를 흘려주는 이유? • 백금선을 (-)극에 연결하고 전류를 흘려주면 수소이온이 반응하여 수소기체가 발생한다. 전극 내부에 수소기체를 모으는 이유는 표준 수소전극과 다른 반쪽 전지와 연결하여 전 위차를 측정할 때 수소 기체가 수소이온으로 산화되는 반응이 있기 때문이다. Cu, Ag와 같은 H보다 이온화 경향이 작은, 즉 환원이 잘되는 금속의 전위를 측정할 때 수소기체가 산화된다. 따라서 수소기체가 없으면 전지로서의 역할을 하지 못하고 전위차로 측정하 지 못하기에 수소기체를 발생시키는 것이다.