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1. 과일전지의 원리
1.1. 산화 환원 반응
물질간의 전자 이동으로 산화와 환원 반응이 동시에 일어난다. 전자를 잃은 쪽은 산화수가 증가하고 산화되며, 전자를 얻은 쪽은 산화수가 줄어들고 환원된다. 이 때 잃은 전자수와 얻은 전자수는 항상 같다. 반응물 간의 전자 이동으로 일어나는 반응으로 산화와 환원이 동시에 일어난다. 전자를 잃은 쪽을 산화되었다고 하고 전자를 얻은 쪽을 환원되었다고 한다. 이때, 잃은 전자수와 얻은 전자수는 항상 같다. 산화·환원반응이 일어날 때 산화수의 변화가 일어난다. 산화수란 일반적으로 이온으로 되었을 때 전하량이다. 이온의 종류가 두 개 이상인 철과 같은 원자의 경우에는 공유결합을 이루는 전자가 전기음성도가 더 큰 원자에 속해있다고 했을 때의 전하량을 생각하면 된다.
1.2. 이온화 경향
금속의 원소에서 전자가 하나 빠져나가 양이온 상태가 되려는 경향을 이온화 경향이라 한다. 원자 또는 분자가 이온이 되려고 하는 경향으로, 쉽게 이온화되는 것을 이온화 경향이 크다고 말한다. 이온화 경향이 큰 원소가 그보다 이온화 경향이 작은 원소의 이온과 만나면, 이온화 경향이 큰 원소가 산화되고 이온이었던 원소는 환원된다. 이온화의 난이도를 말하는 것으로, 이온화하기 쉬운 것을 이온화 경향이 크다고 한다. 일반적으로 금속원소가 양이온이 되어 용액 속에 들어가려고 하는 경향을 의미한다. 이 경향은 금속원소의 종류, 용액의 농도에 따라 다르므로, 정량적으로 비교하기 위해 일정한 조건하에서의 전극전압을 비교하는 것이 보통이다. 물에 대한 이온화 경향의 크기에 따라 나열한 계열을 이온화서열 또는 전기화학계열이라 하는데, 이 계열의 앞쪽에 있는 것일수록 이온화 경향이 크며 산화되기 쉽다. 어떤 원소가 그보다 이온화 경향이 작은 이온을 함유하는 수용액과 접하면 이온의 치환반응을 일으킨다.
1.3. 볼타전지
아연판과 구리판을 두 극으로 사용한 가장 간단한 전지이다. 볼타 전지는 화학 전지의 가장 기본이 되는 전지로, 이탈리아의 물리학자인 볼타가 발견하였다. 볼타는 서로 다른 두 금속판 사이에 전해질을 포함한 가죽을 넣고 두 금속을 선으로 연결하면 전기가 발생한다는 사실을 알아내었으며, 전기 발생의 원인이 두 금속의 접촉에 있다고 보았다.
구리판과 아연판을 묽은 황산 용액에 담그면 반응성이 큰 금속인 아연이 전자를 내어놓고 산화되어 아연 이온으로 용액 속에 녹아 들어간다. 아연이 내어놓은 전자는 전위차에 의하여 도선을 따라 구리판으로 이동하고, 구리판에서는 용액 속의 수소 이온이 전자를 얻어 수소 기체로 환원된다. 이러한 화학 반응을 통해 전기가 발생하여 볼타 전지가 작동하게 된다.
화학 전지에서 전기의 발생은 단순히 두 금속의 접촉이 아닌 산화-환원 반응에 의한 전위차가 그 원인이라는 사실이 독일의 물리학자인 리터와 영국의 물리학자인 패러데이에 의하여 밝혀졌다. 볼타 전지는 이러한 기본적인 화학 전지의 원리를 바탕으로 하고 있다.
오늘날 전압이나 기전력의 단위로 사용되고 있는 볼트(V)는 볼타를 기념하여 이름 붙인 것이다. 또한 1803년에는 독일의 리터가 축전지를 고안하였는데, 이것을 바탕으로 개량하여 오늘날 사용하는 축전지가 발전하게 되었다.
2. 과일전지 실험
2.1. 과일의 종류에 따른 전압 변화
과일에도 전류가 흐르며, 과일의 종류에 따라 전압의 차이가 있다는 것을 알 수 있다. 실험 결과 감자는 0.2V, 바나나는 0.15V, 귤은 0.05V의 전압이 측정되었다. 이처럼 과일의 종류에 따라 다른 전압이 발생하는 이유는 과일 내부에서 일어나는 산화-환원 반응 때문이다.
과일에 구리와 알루미늄을 꽂으면 알루미늄은 산화되어 전자를 잃고 양이온이 되고, 구리는 환원되어 전자를 얻어 음이온이 된다. 이때 알루미늄과 구리 사이에 전압이 발생하게 되며, 알루미늄을 (+)극, 구리를 (-)극에 연결해야 전압을 바르게 측정할 수 있다.
과일 종류에 따른 전압 차이는 두 가지 요인으로 설명할 수 있다. 첫째, 과일의 산성도 차이이다. 과일의 산성도가 높을수록 수소 이온이 많아 전자 이동에 더 도움을 주므로 전압이 높게 나타난다. 따라서 감자, 레몬, 바나나 순으로 전압이 높을 것으로 예상된다. 둘째, 과일의 수분 함량이다. 수...
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