소개글
"일반화학실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 일반화학실험
1.1. 화학전지
1.2. 밀도
2. 화학전지
2.1. 전지의 원리와 구성
2.2. 전극의 종류와 역할
2.3. 환원전위와 전기화학적 서열
3. 밀도 측정
3.1. 밀도의 개념과 정의
3.2. 내연장법을 이용한 부피 측정
3.3. 유효숫자와 불확실성
3.4. 물의 밀도 측정
3.5. 금속 포일과 동전의 밀도 측정
4. 금속의 반응성 비교
4.1. 금속 치환 반응
4.2. 금속과 금속염 수용액의 반응
4.3. 금속의 반응성 순서 도출
5. 실험 결과 분석 및 토의
5.1. 금속 치환 반응의 수득률 고찰
5.2. 금속 간 반응성 순서의 확인
5.3. 실험의 오차 요인 분석
6. 참고 문헌
본문내용
1. 일반화학실험
1.1. 화학전지
화합물은 양전하를 가진 원자핵 주변에 전자가 구름처럼 분포하여 구성된다. 원자나 분자를 둘러싸고 있는 전자는 원자와 분자의 종류에 따라서 쉽게 떨어져 나가서 다른 원자나 분자로 옮겨가기도 한다. 이때 전자를 잃어버리는 원자나 분자는 "환원"되었다고 한다. 이러한 산화-환원 반응은 산-염기 반응과 마찬가지로 화학의 여러 분야에서 널리 활용되고 있다.
녹색 식물의 광합성 반응과 사람을 비롯한 동물의 몸 속에서 일어나는 대사 과정도 대부분이 이런 산화-환원 반응으로 생체가 필요로 하는 에너지를 공급해주는 중요한 역할을 담당하고 있다. 분자들 사이에서 자발적으로 일어나는 산화-환원 반응을 이용해서 금속선을 통하여 전자가 흘러가도록 만들면 전기 에너지를 제공하는 전지(cell)를 만들 수 있다. 건전지와 자동차용 배터리가 그런 화학 전지의 대표적인 예이며, 우리 생활에서 사용하는 전자 제품의 대부분은 이런 화학 전지를 에너지원으로 사용하고 있다.
산화-환원 반응에서 이동하는 전자를 금속선을 통하여 흐르는 전류로 만들기 위해서는 산화 반응과 환원 반응을 서로 분리한 반쪽 전지(half cell)를 금속선으로 연결한 "전지"(cell)를 이용한다. 특히 전류를 만들어서 전기 에너지원으로 사용하기 위한 화학 전지를 "갈바니 전지"(galvanic cell)라고 부른다.
화합물이 전자를 잃어버리거나 얻을 경우에는 전하를 가진 이온이 만들어지기 때문에 대부분의 전지는 이온을 안정화시킬 수 있는 수용액에서 일어나는 반응을 이용한다. 반쪽 전지에는 쉽게 이온화하여 산화 또는 환원될 수 있는 전해질(electrolyte)이 들어있다. 금속 전극은 금속선을 통해서 다른 쪽의 전극과 연결되어 있으며, 용액의 전하 변화를 상쇄시켜주기 위한 염다리(salt bridge)를 사용하기도 한다. 염다리는 U자형의 유리관에 KCl과 같은 염이 섞여있는 젤(gel)로 채워진 것으로 염다리를 통해서 수용액 중에 녹아있는 이온들은 이동할 수 있지만 두 용액이 직접 맞닿아 섞이지는 않도록 하는 역할을 한다.
이렇게 구성한 전지의 한 쪽 반쪽 전지에서는 화합물이 산화되면서 빠져 나온 전자가 전극을 통하여 다른 반쪽 전지로 흘러가서 전극을 통하여 수용액 중의 화합물에 전달되어 환원 반응이 일어나게 된다. 이때 산화 반응이 일어나는 전극을 산화전극(anode)이라고 부르고, 환원 반응이 일어나는 전극을 환원전극(cathode)이라고 부른다. 전자는 산화전극에서 환원전극 쪽으로 흘러가므로, 전류는 환원전극에서 산화전극 쪽으로 흘러간다. 이때 환원전극이 산화전극보다 전위가 더 높아서 환원전극을 (+)극, 산화전극 (-)극이라고 부르기도 한다.
한 전극의 전위를 절대적으로 측정하는 것은 불가능하지만, 임의로 선택한 두 전극 사이의 전위차를 측정하는 것은 가능하다. 전극의 전위를 나타내기 위해서 많이 사용되는 기준 전극으로는 표준 수소 전극(standard hydrogen electrode)이 있다. 표준 수소 전극은 1기압의 압력으로 유지되는 수소 기체와 평형을 이루고 있으면서 하이드로늄 이온()의 농도가 1.0 M인 25℃의 수용액 속에 백금 금속으로 만든 전극이 설치되어 있는 것으로 다음과 같은 환원 반응이 일어난다.
일반적으로 표준 수소 전극의 전위 를 0.00 V라고 정의하고, 다른 전극과 표준 수소 전극을 연결한 전지에서 얻은 전위차를 그 전극의 환원 전위(reduction potential)이라고 하고, 25℃에서 측정한 환원 전위를 표준 환원 전위라고 한다. 예를 들어서 25 ℃에서 1.0 M의 구리 이온()이 녹아있는 용액에 구리판을 전극으로 사용한 반쪽 전지를 표준 수소 전극과 연결하면 구리 이온이 환원되어 구리 전극의 표면에 구리 금속이 붙게 되고, 수소 전극에서는 수소 분자가 산화되어 하이드로늄 이온으로 물에 녹게 된다. 이 경우에 두 전극 사이의 전위차는 0.337 V이며, 이 값을 구리 전극의 표준 환원 전위라고 한다.
그러나 25℃에서 1.0 M의 아연 이온()이 녹아있는 용액에 아연판을 전극으로 사용한 반쪽 전지를 표준 수소 전극과 연결하면 아연 전극이 녹으면서 산화되어 아연 이온이 되고, 표준 수소 전극에서 하이드로늄 이온이 환원되어 수소 기체가 된다. 이 경우에 두 전극 사이의 전위차는 0.763 V이고, 아연 전극의 전위가 더 낮으므로 아연 전극의 표준 환원 전위는 -0.763 V가 된다.
따라서, 임의의 반쪽 전지 두 개를 연결하여 갈바니 전지를 만드는 경우에 환원 전위가 더 큰 쪽은 환원 반응이 일어나서 전위가 높은 환원 전극이 되고, 환원 전위가 더 낮은 쪽은 산화 반응이 일어나서 전위가 낮은 산화전극이 된다. 즉, 구리 전극에서 아연 전극으로 전류가 흐르게 되며, 두 전극 사이의 전위차는 1.10 V가 된다.
화학적인 산화-환원 반응을 이용한 갈바니 전지의 경우에 두 전극 사이의 전위차는 최대 5 V 정도이지만, 실용적인 전지를 만들기 위해서는 전지에서 얻을 수 있는 전류의 양도 중요하다. 일상 생활에서 사용할 수 있는 전지를 만들기 위해서는 전극 반응의 안전성과 편리성과 함께 경제성도 고려되어야 한다.
1.2. 밀도
밀도는 물체의 단위 부피당 질량으로 정의된다. 고체나 액체의 밀도는 보통 세제곱센티미터당 그램(g/㎤) 또는 밀리리터당 그램(g/㎖)으로 나타낸다. 물의 밀도가 1.00g/㎖인 것은 우연이 아니며, 이는 1그램의 처음 정의가 특정 온도에서 물 1㎖의 질량이었기 때문이다. 대부분의 물질은 온도에 따라 부피가 변하기 때문에 밀도는 온도에 따라 달라진다. 따라서 밀도를 기록할 때는 반드시 온도도 기록해야 한다. 밀도와 무게는 가끔 혼동되기도 하는데, 철이 공기보다 무겁다고 말했다면 이는 철의 밀도가 공기의 밀도보다 더 크다는 ...
참고 자료
일반화학 제 14판, BROWN, Lemay, Rursten, Mutphy, WOODWARD, 화학교재연구회, 자유아카데미, p.22-30
화학실험 제 2판, 한양대학교 화학교재연구실, 한양대학교 출판부, p.35-40
유체역학, 민묘식,개정 증보판, 첨단과학 기술도서 출판, 29
분석화학, Daniel C. Harris, 9판, 자유아카데미, 53-55
물리화학, peter atkins, julio de paula, 10판, 교보문고 285
정밀측정공학, 이징구, 이종대, 최신 개정판, 기전연구사 , 59
현대일반화학실험, p.115～120
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