소개글
"화학전지와 열역학 실험보고서"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 목적
2. 실험 이론 및 원리
2.1. 전기화학 전지의 종류
2.2. 산화-환원 반응(oxidation-reduction reaction, redox reaction)
2.3. 반쪽 전지(half cell)
2.4. 염다리(salt bridge)
2.5. 기전력(Electromotive force)
2.6. 이온화경향
2.7. 표준 전지 전위(standard cell potential)
2.8. 표준 환원 전위(standard reduction potential)
2.9. 표준 수소 전극(standard hydrogen electrode)
2.10. 화학전지(Electrochemical cell)
3. 실험 기구 및 시약
3.1. 실험 기구
3.2. 실험 시약
4. 실험 방법
4.1. 용액 제조
4.2. 실험 과정
5. 주의 사항
6. 실험 결과
6.1. 이론적 전위차 계산
6.2. 실제 측정한 전위차
6.3. 오차율 계산
7. 토의 사항
8. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 목적
산화-환원 반응을 이용한 갈바니 전지를 만들어 보고 이를 통해 실생활에 쓰이는 전지에 대해 이해하는 것이다.
전기화학 전지는 화학에너지와 전기에너지를 상호 변환하여 에너지를 발생시키는 장치이다. 갈바니 전지(=볼타 전지)는 자발적 화학반응으로 전류가 발생하고 전해 전지는 전류를 이용하여 비자발적 반응이 발생한다. 화학전지로 만들어진 실용전지들의 예는 1차 전지와 2차 전지가 있다.
산화-환원 반응(redox reaction)은 한 화학종에서 다른 화학종으로 전자의 이동을 수반하는 반응이다. 산화는 전자를 잃는 것이고 환원은 전자를 얻는 것이다. 산화제는 다른 물질의 전자를 얻어 자신이 환원되는 물질이고, 환원제는 다른 물질에 전자를 주어 자신은 산화되는 물질이다.
화학전지의 원리는 이온화 경향이 서로 다른 두 금속을 전해질 용액 속에 넣고 도선으로 연결할 때 일어나는 산화-환원 반응으로 기전력이 생겨서 전자가 도선을 따라 이동하는 것이다. 기전력은 전지가 도선을 통해 전류를 흐르게 하는 힘으로 두 전극 간의 전위차이다. 기전력 E°= E°(환원) - E°(산화)이며, E°값이 (+)이면 정반응(자발적), (-)이면 역반응이다.
이온화경향은 금속이 수용액에서 전자를 잃고 양이온이 되려는 성질로, 이온화 경향이 클수록 전자를 잃기 쉽다. 이온화 경향 순서는 K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>(H)>Cu>Hg>Ag>Pt>Au이다. 두 금속의 이온화 경향 차가 클수록 전지의 기전력이 커진다. 이온화 경향이 큰 금속은 음극, 작은 금속은 양극이 된다.
갈바니 전지(볼타 전지)는 아연판과 구리판을 묽은 황산에 담그고 도선으로 두 금속판을 연결한 전지이다. 분극 현상은 (+)극에서 발생한 수소기체가 Cu판에 붙어 H+의 환원반응을 방해하여 전류의 흐름을 막아 전위차가 떨어지는 현상이다. 다니엘 전지는 기본 원리는 볼타 전지와 같으나 각각의 금속을 금속이온 용액에 담그고 두 이온 용액을 다공성 세라믹 분리막으로 나누어 전지를 구성했다는 것에서 차이가 난다.
염다리는 전기화학에서 두 반쪽 전지(갈바니 전지)를 연결할 때 쓰이는 장치로서 전해질로 채워진 U자관이다. 주로 KCl이나 NaCl이 사용되며 전지 반응과 무관한 이온으로 구성되어야 하고 양전하와 음전하의 전도성이 비슷한 것이 중요하다.
표준전극전위(standard electrode potential, E°)는 25℃, 1atm에서 반쪽 전지의 수용액 농도가 1M일 때 표준수소전극을 (-)극으로 하여 얻은 반쪽 전지의 전위를 말한다. 표준 수소 전극(standard hydrogen electrode, E°)은 25℃, 1atm에서 수용액 중 H+농도가 1M인 수소 전극으로 표준 환원 전위값을 0.00V로 정한 것이다. 표준환원전위(standard reduction potential, E°)는 25℃, 1atm에서 H+과 금속으로 전지를 만들었을 때 생기는 전압으로, 값이 (+)이면 H+보다 환원되기 쉽고 (-)이면 환원되기 어렵다. 산화 반응 전위는 표준 환원 전위와 절대값은 같고 부호만 반대이다. 전지의 기전력은 (-)극 산화반응의 표준 전위값과 (+)극 환원반응의 표준 환원 전위값을 더한 값이다.
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2. 실험 이론 및 원리
2.1. 전기화학 전지의 종류
전기화학 전지의 종류는 다음과 같다. 갈바니 전지(=볼타 전지)는 자발적 화학반응으로 전류가 발생하고, 전해 전지는 전류를 이용하여 비자발적 반응이 발생한다. 화학전지로 만들어진 실용전지로는 1차 전지인 건전지, 산화은 전지, 알칼리 전지, 리튬 전지 등과 2차 전지인 납축전지, 수은전지, 니켈카드뮴 전지, 연료전지 등이 있다. 이처럼 전기화학 전지는 화학에너지와 전기에너지를 상호 변환하여 에너지를 발생시키는 장치이다.
2.2. 산화-환원 반응(oxidation-reduction reaction, redox reaction)
산화-환원 반응(oxidation-reduction reaction, redox reaction)이다. 산화는 반응물이 전자를 잃는 것이며, 산화수가 증가한다. 환원은 반응물이 전자를 얻는 것이며, 산화수가 감소한다. 산화와 환원은 항상 함께 일어난다. 산화제(oxidant)는 다른 물질로부터 전자를 얻어서 자신이 환원되는 물질이다. 환원제(reductant)는 다른 물질에 전자를 주어서 자신은 산화되는 물질이다. 화학전지의 원리는 이온화 경향이 서로 다른 두 금속을 전해질 용액 속에 넣고 도선으로 연결할 때 일어나는 산화-환원 반응으로 기전력이 생겨서 전자가 도선을 따라 이동하는 것이다. 이온화 경향이 큰 금속에서 전자가 이온화 경향이 작은 금속으로 이동한다. 이때의 전위차를 측정하는 것이 이번 실험의 중요한 부분이다. 기전력(electromotive force)은 전지가 도선을 통하여 전류를 흐르게 하는 힘이며, 두 전극 간의 전위차를 나타낸다. 표준 전지 전위(standard cell potential, E°전지)는 표준 상태(25℃, 1atm, 용액 중 이온 농도 1M)에서 측정된 전지의 전위를 의미한다. 이는 (-)극 반쪽전지의 표준 산화 전위와 (+)극 반쪽전지의 표준 환원 전위의 차이로 나타낼 수 있다. 표준 환원 전위(standard reduction potential, E°)는 표준 상태에서 특정 반쪽 반응이 일어날 때의 전위를 의미한다. 표준 수소 전극(standard hydrogen electrode, E°=0.00V)은 표준 환원 전위를 정의하기 위한 기준 전극이다. 값이 (+)이면 수소보다 환원되기 쉽고, (-)이면 수소보다 환원되기 어렵다고 볼 수 있다. []
2.3. 반쪽 전지(half cell)
반쪽 전지(half cell)는 산화-환원 반응이 일어나는 부분을 염다리로 분리시켜 놓아 전자가 이동하도록 만들어 놓은 장치이다. 산화반응과 환원반응이 일어나는 부분을 반쪽전지라고 한다. 반쪽전지의 표준 환원 전위값은 25°C, 1atm에서 H+과 어떤 금속으로 전지를 만들었을 때 생기는 전압이다. 모든 금속이 환원되었을 때 생기는 전압을 이용한 값으로 표준 수소전극과 비교하여 전자를 받아들이는 정도를 정량적으로 나타낸 값이다. 값이 (+)이면 H+보다 환원되기 쉽고 값이 (-)이면 H+보다 환원되기 어렵다고 볼 수 있다. 산화 반응의 전위는 표준 환원 전위와 절대값은 같고, 그 부호는 반대이...
참고 자료
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안전보건공단>화학물질정보>MSDS검색
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https://en.wikipedia.org/wiki/Polarization_(electrochemistry) : 분극현상의 개념
https://en.wikipedia.org/wiki/Salt_bridge: 염다리의 원리
https://en.wikipedia.org/wiki/Zinc_sulfate : zinc sulfate
https://en.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate : copper sulfate
https://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_chloride : “potassium chloride
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화학교재연구회, 재미있는 일반화학실험, 사이플러스(2010) p212, 이온화경향의 개념, 음극과 양극의 차이점 표
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