소개글
"전지의 제작과 전위차 측"에 대한 내용입니다.
목차
1. 전기화학 실험
1.1. 전기화학 반응
1.1.1. 산화-환원 반응
1.1.2. 산화수
1.1.3. 전기화학 반응
1.2. 전기분석화학
1.2.1. 전압전류법
1.2.2. 전위차법
1.2.3. 전기화학적 측정 기술의 장점
1.3. 전기화학 장치
1.3.1. 건전지
1.3.2. 연료전지
1.3.3. 부식
1.3.4. 전기분해
1.4. 전기화학 이론
1.4.1. 전기화학 전위
1.4.2. 표준 전극 전위
1.4.3. 전기분해 이론
1.4.4. 페러데이의 법칙
1.5. 전기화학 특성 평가
1.5.1. 광학적 특성 평가
1.5.2. 전기적 특성 평가
1.5.3. 태양전지 특성 평가
2. 전기회로 설계 및 실습
2.1. 전원의 출력저항 측정
2.2. DMM의 입력저항 측정
2.3. 부하효과 이해
2.4. DC Power Supply 사용법
3. 참고 문헌
본문내용
1. 전기화학 실험
1.1. 전기화학 반응
1.1.1. 산화-환원 반응
산화-환원 반응은 물질이 전자를 잃어 산화되거나 얻어 환원되는 화학 반응을 말한다. 이 반응에서 전자가 이동하게 되며, 산화되는 물질은 전자를 잃고 산화수가 증가하여 산화반응이 일어나고, 환원되는 물질은 전자를 얻어 산화수가 감소하여 환원반응이 일어난다.
산화-환원 반응은 화학 반응에서 매우 중요한 개념이며, 생명체 내에서 일어나는 다양한 화학 반응에 관여한다. 세포 내의 대사 과정에서 일어나는 전자 전달 반응과 같은 생화학 반응은 대표적인 산화-환원 반응이다. 또한 금속의 부식, 연료전지, 전지 등 전기화학 반응에서도 핵심적인 역할을 한다.
산화-환원 반응에서는 반드시 한 물질이 산화되면 다른 물질이 환원되는 특징이 있다. 예를 들어 철이 공기 중에서 녹이 슬어 산화되는 반응에서는 철이 산화되고 산소가 환원된다. 이처럼 산화와 환원은 항상 동시에 일어나는 쌍을 이루는 화학 반응이다.
산화-환원 반응에서 반응물과 생성물의 산화수를 계산하면 반응의 진행 과정을 이해할 수 있다. 산화수는 원자가 갖는 가상의 전하로, 산화되는 물질은 산화수가 증가하고 환원되는 물질은 산화수가 감소한다. 이러한 산화수의 변화를 통해 전자의 이동 양상을 파악할 수 있다.
산화-환원 반응은 전기화학 분야에서도 매우 중요한데, 전기화학 반응에서는 전자의 이동이 핵심적인 역할을 하기 때문이다. 예를 들어 전지나 연료전지에서는 산화-환원 반응을 통해 화학 에너지가 전기 에너지로 변환되고, 전기분해에서는 전기 에너지가 화학 반응을 일으키는 데 이용된다. 이처럼 산화-환원 반응은 전기화학 분야에서 필수적인 개념이자 현상이라고 할 수 있다.
1.1.2. 산화수
산화수는 하나의 물질(홑원소 물질, 분자, 이온 화합물 등)에서 전자의 교환이 완전히 일어났다고 가정하였을 때 물질을 이루는 특정 원자가 갖는 전하수를 말하며 산화 상태라고도 한다. 산화 반응의 경우 전자를 잃게 되어 산화수가 증가하며, 환원 반응의 경우 반대로 전자를 얻어 감소하게 된다.
산화수는 산화-환원 반응에서 전자의 흐름을 확인하기 위하여 사용하는 하나의 방법으로 물질 내의 특정 원자가 가지는 전하량과 반드시 일치하지는 않는다. 예를 들어 염화 수소의 경우 수소와 염소의 부분 전하가 +0.2, -0.2 정도이지만, 수소와 염소가 양이온과 음이온의 상태로 존재하지 않으므로 수소와 염소의 산화수는 각각 +1과 -1이다.
즉, 산화수는 원자가 실제로 가지고 있는 전하량과는 다를 수 있으며, 원자가 반응에 참여하여 전자를 잃거나 얻는 정도를 나타내는 척도로 사용된다. 이를 통해 물질의 산화 및 환원 상태를 파악할 수 있다.
1.1.3. 전기화학 반응
전기화학 반응은 전기 에너지와 화학 변화의 관계를 취급하는 화학 반응의 하나로, 그 화학 반응식 중에는 반드시 전자가 참가하고 있다. 전기 화학 반응의 결과 전해라고 하는 현상이나 전지라고 하는 장치가 실제로 얻어진다.
전기 화학 반응의 특징은 다음과 같다. 첫째, 전기 화학 반응이 일어나는 반응계는 전자 전도체와 이온 전도체의 조합으로 성립하고 반응은 양자의 계면에서 일어난다. 따라서 그 계면인 2차원면밖에 이용할 수 없는 결점도 있다. 둘째, 애노드에서는 산화 반응, 캐소드에서는 환원 반응이 동시에 각각 장소를 달리하여 일어난다. 셋째, 산화 생성물 및 환원 생성물의 화학적 순도는 매우 높다. 넷째, 전자가 마치 이온이나 원자와 같은 화학종으로 반응식에 참가하고 그때 정비례의 법칙이 성립한다. 다섯째, 패러데이의 법칙이 성립한다. 여섯째, 반응 속도의 조절이 쉽다. 또한 전기 화학 반응의 기구나 반응 속도의 연구는 전기 화학에서 취급하는 기초적이며 또 중요한 대상의 하나이다.
이처럼 전기화학 반응은 전기 에너지와 화학 변화의 관계를 다루는 매우 중요한 화학 반응이며, 다양한 특징을 가지고 있다. 특히 전자의 역할, 패러데이의 법칙, 반응 속도 조절 등은 전기화학 반응의 핵심적인 부분이라고 할 수 있다.
1.2. 전기분석화학
1.2.1. 전압전류법
전압전류법은 지시 전극(혹은 작업 전극)에 편극되는 조건의 전위를 걸어주며 전위에 따른 전류의 변화를 측정하는 방식이다. 전압전류법의 시초는 앞서 소개한 폴라로그래피이며, 폴라로그래피에서는 작업 전극으로 적하 수은 전극을 사용한다는 점에서 다른 전압전류법과 다르다. 전압전류법에서는 다양한 형태의 프로그램된 전위를 작업 전극에 가하는데, 가해지는 전위 프로그램의 유형에 따라 특징적인 전압전류 특성이 나타게 되고 이를 분석하여 분석물에 대한 정성 및 정량적인 정보를 얻을 수 있다. 가해주는 다양한 형태의 전위 프로그램에 따라 다양한 전압전류법에 존재한다. 전기분석법의 장점은 분석시 사용되는 기기가 매우 저렴하며, 휴대용으로도 쉽게 제작할 수 있다는 사실이며, 따라서 휴대용 측정기 분야에서는 기존의 다른 고가의 기기 분석법보다 매우 차별적인 장점이다. 당뇨병 환자들이 주로 사용하는 일회용 혈당측정기는 전기분석법의 대표적인 예이다. 또한, 전기분석법은 하천의 용존 산소량을 실시간으로 측정하고, 환경 오염 현장에서 중금속 등의 분석물을 비교적 간단하게 측정하는 방법으로 널리 활용되고 있다.
1.2.2. 전위차법
전위차법은 기준 전극과 지시 전극으로 구성된 화학 전지의 전위를 측정하는 방식이다. 기준 전극의 전위는 알려져 있으며 지시 전극의 전위를 측정함으로써 용액 내 특정 이온의 농도 등을 알아낼 수 있다. 대표적인 예로 pH 측정용 유리 전극과 이온 선택성 전극을 들 수 있다.
pH 측정용 유리 전극은 수소이온의 농도에 따라 전위가 변화하는 특성을 이용한다. 유리 전극의 내부에는 일정한 pH의 완충액이 들어 있으며, 이 완충액과 측정하고자 하는 용액 사이에 생기는 전위차를 측정함으로써 용액의 pH를 알아낼 수 있다.
이온 선택성 전극은 특정 이온의 농도 변화에 선택적으로 반응하는 전극으로, 혈액 등 생체 내 이온 농도를 측정하는 데 널리 활용된다. 이온 선택성 전극은 막 전극의 형태로 만들어지며, 막 내부에는 특정 이온에 대해 선택적으로 감응하는 물질이 포함되어 있다. 측정하고자 하는 용액과 막 사이에 생기는 전위차를 측정함으로써 특정 이온의 농도를 확인할 수 있다.
전위차법은 기준 전극과 지시 전극의 전위차를 측정하는 방식이므로, 전극 전위의 안정성이 매우 중요하다. 이를 위해 기준 전극의 전위는 일정하게 유지되어야 하며, 지시 전극 또한 측정 대상 이온에 대해 선택성이 높아야 한다. 전위차법은 간단한 장치로 구현할 수 있고 신속한 분석이 가능하다는 장점이 있어, 현장 분석이나 실시간 모니터링 등에 널리 활용되고 있다.
1.2.3. 전기화학적 측정 기술의 장점
전기화학적 측정 기술의 장점은 다음과 같다.
첫째, 전기화학적 측정 기술은 매우 저렴한 실험 장비로 분석이 가능하다. 분광광도계나 질량분석기와 같은 고가의 분석 장비 ...
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