소개글
"nernst equation 식으로 유도하기"에 대한 내용입니다.
목차
1. 개요
1.1. 화학전지의 의의
1.2. 화학전지의 종류
2. 전기화학의 기본 원리
2.1. 산화-환원 반응
2.2. 전해질과 전극
2.3. 표준 환원 전위와 전기화학적 서열
3. 다니엘 전지의 원리
3.1. 다니엘 전지의 구성
3.2. 산화-환원 반응 및 전자 이동
3.3. 염다리의 역할
4. 실험을 통한 화학전지의 이해
4.1. 금속의 산화-환원 특성 실험
4.2. 전지 전압 측정 실험
4.3. 농도차에 따른 전압 변화 실험
5. 화학전지의 응용
5.1. 리튬이온 전지
5.2. 배터리의 구조와 종류
6. 참고 문헌
본문내용
1. 개요
1.1. 화학전지의 의의
화학전지는 자발적으로 일어나는 화학반응을 통해 전기에너지를 생산하는 장치이다. 화학전지는 산화-환원 반응을 이용하여 전자를 발생시키고 이를 통해 전류를 생산한다. 화학전지의 구조는 일반적으로 두 개의 전극과 전해질로 구성되어 있으며, 전극에서 일어나는 산화와 환원 반응을 통해 전류가 발생한다. 화학전지가 갖는 가장 큰 의의는 화학에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다는 것이다. 즉, 화학반응을 통해 발생한 전자의 이동을 활용하여 전기를 생산할 수 있다. 이러한 화학전지의 원리는 다양한 분야에 응용되어 왔는데, 대표적으로 배터리, 연료전지 등의 개발에 활용되고 있다. 또한 화학전지는 전기화학 반응을 연구하는 데 있어서도 기본적인 실험 도구로 사용되고 있다.
1.2. 화학전지의 종류
화학전지의 종류에는 갈바니 전지(galvanic cell)와 전해 전지(electrolytic cell)로 구분된다. 갈바니 전지는 자발적인 산화-환원 반응을 이용하여 전류를 생산하는 전기화학 전지이다. 갈바니 전지의 예로는 볼타 전지와 다니엘 전지가 있다. 볼타 전지는 1799년 이탈리아 과학자 알레산드로 볼타에 의해 발명되었으며, 두 금속판 사이에 전해질 용액을 둔 구조로 되어 있다. 다니엘 전지는 1836년 영국 화학자 존 프레드릭 다니엘에 의해 개발되었으며, 아연 전극과 구리 전극, 황산 아연 용액과 황산 구리 용액으로 구성되어 있다.
전해 전지는 외부에서 전류를 흘려주어 전기분해를 일으키는 전기화학 전지이다. 전해 전지에서는 환원 반응이 일어나는 음극(cathode)이 양극(anode)보다 표준 환원 전위가 높은 금속으로 이루어져 있다. 따라서 전해 전지는 자발적으로는 일어나지 않는 반응을 강제로 일으켜 물질을 분해하거나 합성할 때 활용된다. 대표적인 예로는 금속 도금, 물의 전기분해, 알루미늄 제련 등이 있다.
이처럼 화학전지는 산화-환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 생산하거나 전기 에너지를 이용하여 화학 반응을 일으키는 장치로, 전기화학의 기본 원리를 잘 보여주는 대표적인 사례라고 할 수 있다.
2. 전기화학의 기본 원리
2.1. 산화-환원 반응
산화-환원 반응은 물질 간의 전자 이동을 수반하는 화학 반응이다. 산화 반응은 물질이 전자를 잃어 산화수가 증가하는 것을 의미하며, 환원 반응은 물질이 전자를 얻어 산화수가 감소하는 것을 의미한다. 이때 산화 반응과 환원 반응은 항상 동시에 일어나며, 잃어버린 전자 수와 획득한 전자 수는 항상 같다.
산화 반응과 환원 반응은 화학 전지에서 중요한 역할을 한다. 화학 전지에서는 자발적인 산화-환원 반응을 통해 전기 에너지가 생성된다. 산화 전극에서는 산화 반응이 일어나 전자가 방출되고, 이 전자가 회로를 통해 환원 전극으로 이동하여 환원 반응을 일으키면서 전기 에너지가 생성된다. 따라서 산화-환원 반응은 화학 전지의 핵심 원리라고 할 수 있다.
산화수를 이용하면 어떤 원자가 산화되고 환원되는지 쉽게 판단할 수 있다. 원자의 산화수가 증가하면 해당 원자는 산화되었다고 볼 수 있고, 반대로 산화수가 감소하면 환원되었다고 할 수 있다. 이처럼 산화수 변화를 통해 산화-환원 반응을 정성적으로 파악할 수 있다.
산화-환원 반응은 화학 전지 뿐만 아니라 다양한 화학 공정에서도 중요한 역할을 한다. 연료 전지, 배터리, 금속 부식, 세탁용 표백제 등 생활 속 많은 화학 현상에서 산화-환원 반응이 일어나고 있다. 따라서 산화-환원 반응에 대한 이해는 화학을 공부하는 데 있어 필수적이라고 할 수 있다.
2.2. 전해질과 전극
전해질과 전극은 전기화학 전지의 핵심 구성요소이다. 전해질은 전하를 띠는 이온들의 이동을 통해 전기적으로 전도되는 물질로, 주로 물과 같은 극성 용매에 용해된 염, 산, 염기 등이 포함된다. 용해되면 양이온과 음이온으로 분리되어 용액 내에 균일하게 분포한다. 전해질은 전자를 전도하지 않고 이온만을 전도하는 특성이 있다.
전극은 전자를 받아들이거나 내보내는 전자전도성...
참고 자료
Atkins, Jones, and Laverman. 『화학의 원리 5판』, 김관 외, 자유아카데미, 2012.
김희준, 『일반화학실험』, 자유아카데미, 2010.
Harris, Daniel C. 『분석화학 9판』, 강용철 외, 자유아카데미, 2017.
yscec, ‘07_화학전지와 전기화학적 서열’ (https://yscec.yonsei.ac.kr/mod/commons/view.php?id=1790005)
Brown외, 『Chemistry: the central science』, Pearson, 2017
Wikipedia, “electrolyte”, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrolyte, (2022.09.25)
Jill Kirten Robinson, John E. MuMurry & Robert C. Fay, chemistry 8th edition, Pearson(2020), p.838(redox)
Wikipedia, “galvanic cell”, https://en.wikipedia.org/wiki/Galvanic_cell , (2022.09.25)
Wikipedia, “diniell cell”, https://en.wikipedia.org/wiki/Daniell_cell, (2022.09.25)
Jill Kirten Robinson, John E. MuMurry & Robert C. Fay, chemistry 8th edition, Pearson(2020), p.845(anode and cathode)
Jill Kirten Robinson, John E. MuMurry & Robert C. Fay, chemistry 8th edition, Pearson(2020), p.851(standard cell potential)
Jill Kirten Robinson, John E. MuMurry & Robert C. Fay, chemistry 8th edition, Pearson(2020), p.852(standard reduction potential)
Jill Kirten Robinson, John E. MuMurry & Robert C. Fay, chemistry 8th edition, Pearson(2020), p.845(salt bridge)
Jill Kirten Robinson, John E. MuMurry & Robert C. Fay, chemistry 8th edition, Pearson(2020), p.858(Nernst equation)
Wikipedia, “KCl”, https://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_chloride, (2022.09.23)
Wikipedia, “ZnSO4”, https://en.wikipedia.org/wiki/Zinc_sulfate , (2022.09.23)
http://msds.kosha.or.kr/ (황산 아연)
Wikipedia, “FeSO4”, https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(II)_sulfate , (2022.09.23) http://msds.kosha.or.kr/ (황산 철)
Wikipedia, “CuSO4”, https://en.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate , (2022.09.23)
http://msds.kosha.or.kr/ (황산 제II구리)
