소개글
"전기도금"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 목적 및 개요
1.1. 산화-환원 반응과 Faraday's Law 개념 이해
1.2. 전기 도금 과정 관찰 및 메커니즘 이해
1.3. 전기 도금 과정의 전하량, 전류, 전착두께 계산
2. 바탕 이론
2.1. 산화-환원 반응
2.2. 금속의 반응성 및 전기도금
2.3. 탈지 반응
2.4. Faraday's Law
2.5. 표준 환원 전위
2.6. Nernst 방정식
2.7. 주사전자현미경(SEM)
3. 실험 재료
3.1. 금속: 니켈판, 황동판
3.2. 화학 시약: 황산니켈, 염화암모늄, 붕산, 수산화나트륨, 사이안화나트륨, 염화수소
4. 실험 방법
4.1. 금속 탈지 세척
4.2. 전해질 용액 제조
4.3. 전기 도금 실험
4.4. 시간별 무게 측정
4.5. 도금 표면 SEM 관찰
5. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 목적 및 개요
1.1. 산화-환원 반응과 Faraday's Law 개념 이해
산화-환원 반응은 화학 반응에서 두 물질 사이에 전자, 산소 및 수소의 이동 또는 산화수의 변화를 표현한 것이다. 전자의 이동과 수소 이동에서는 화학종이 전자, 수소를 얻으면 환원, 잃으면 산화가 되고, 산소의 이동 반응에서는 산소를 얻으면 산화수가 증가하고, 잃으면 산화수가 감소하여 환원이 된다. 전자의 이동에 따른 산화-환원 반응의 예시를 살펴보면 Fe^{3+} + V^{2+} → Fe^{2+} + V^{3+}와 같이 나타낼 수 있다. 이때 Fe^{3+}는 전자를 잃기 때문에 산화제, V^{2+}는 전자를 빼앗기 때문에 환원제가 된다.
Faraday's Law는 전기분해 시 전하량과 화학적 변화 사이의 정량적인 관계를 나타내는 법칙이다. 첫 번째 법칙은 전기분해를 통해 생성되는 물질의 양은 그 전극을 통과한 전자의 몰수에 비례한다는 것이다. 즉, 전류가 많이 흐를수록 석출되는 물질의 양이 많아진다. 두 번째 법칙은 일정한 전하량에 의해 생성되거나 소모되는 물질의 양은 물질의 종류에 관계없이 각 물질의 화학당량(원자량/이온의 전하수)에 비례한다는 것이다. 이는 전하량당 석출되는 물질량이 화학적 특성에 비례한다는 의미이다.
이러한 Faraday's Law는 전기화학반응을 정량적으로 설명하는 기본 원리로, 전기도금, 전기분해, 금속부식 등 다양한 전기화학 현상을 이해하는 데 활용된다. 본 실험에서는 이를 활용하여 전기도금 과정에서의 전하량, 전류, 전착두께 등을 계산할 수 있다.
1.2. 전기 도금 과정 관찰 및 메커니즘 이해
전기 도금은 전기분해 원리를 활용하여 한 금속에서 다른 금속으로 금속이온을 전착시키는 기술이다. 이번 실험에서는 양극에 연결된 니켈판이 전기분해되어 니켈 이온이 생성되고, 이 니켈 이온이 음극에 연결된 황동판에 환원되어 석출되는 과정을 관찰한다.
먼저, 전기 도금 과정에서 일어나는 전극 반응을 살펴보면 다음과 같다. 양극인 니켈판에서는 산화 반응이 일어나 니켈 이온(Ni2+)이 생성된다:
Ni(s) → Ni2+ + 2e-
이때 발생한 전자는 전류의 흐름을 형성하며, 음극인 황동판으로 이동한다. 음극에서는 환원 반응이 일어나 니켈 이온이 니켈 금속으로 석출된다:
Ni2+ + 2e- → Ni(s)
이처럼 양극에서의 산화 반응과 음극에서의 환원 반응이 동시에 일어나면서 전기 도금이 진행된다. 용액 중의 니켈 이온이 소모되면 양극에서 추가적인 니켈 이온이 공급되어 도금이 지속될 수 있게 된다.
이 과정에서 pH 변화를 막기 위해 완충제인 붕산(H3BO3)이 첨가된다. 도금 과정에서 발생하는 수소 이온(H+)을 제거하여 급격한 pH 변화를 방지하는 역할을 한다. 또한 전해질인 염화암모늄(NH4Cl)을 첨가하여 전류의 원활한 흐름을 돕는다.
이와 같은 전기 도금 메커니즘을 통해 니켈이 황동판 표면에 석출되어 도금된다. 도금 시간을 달리하여 관찰하면 시간에 따른 도금 두께의 변화를 확인할 수 있다. 이를 통해 Faraday 법칙을 바탕으로 전하량, 전류, 전착두께 등을 계산할 수 있다.
1.3. 전기 도금 과정의 전하량, 전류, 전착두께 계산
전기 도금 실험에서 전하량, 전류, 전착두께 간의 관계를 나타내는 식은 다음과 같다.
먼저 전하량(Q)은 전류(I)와 시간(t)의 곱으로 나타낼 수 있다. 즉, Q = I × t이다. 이때 전류는 전하가 단위시간당 흐르는 양을 의미한다.
그리고 전기 도금 과정에서 도금된 금속의 무게(m)는 전하량(Q), 화학당량(a/z), 패러데이 상수(F)와의 관계식으로 나타낼 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 m = (I × t × a) / (F × z)가 된다. 여기서 a는 도금 금속의 원자량, z는 도금 금속 이온의 전하수를 의미한다.
도금 두께(δ)는 도금된 금속의 무게(m), 금속의 밀도(ρ), 도금 면적(A)과의 관계식으로 나타낼 수 있다. 즉, δ = m / (ρ × A)가 된다.
이를 통해 전하량, 전류, 도금 두께 등의 관계를 계산할 수 있다. 예를 들어 일정한 전류와 시간 조건에서 도금된 금속의 무게를 측정하면, 이를 토대로 도금 두께를 계산할 수 있다. 또한 특정 두께의 도금을 원하는 경우, 필요한 전하량을 계산하여 전류와 시간을 조절할 수 있다.
이와 같은 Faraday의 법칙과 관련 수식은 전기 도금 과정을 정량적으로 분석하고 제어하는 데 중요한 역할을 한다.
2. 바탕 이론
2.1. 산화-환원 반응
산화-환원 반응은 화학 반응에서 전자의 이동 또는 산화수의 변화를 통해 나타나는 반응이다. 화학종이 전자를 잃으면 산화, 전자를 얻으면 환원되는 특징이 있다. 즉, 화학종 간의 전자 이동에 따른 산화-환원 반응을 포함하는 반응을 산화-환원 반응이라고 한다.
산화 반응은 화학종이 전자를 잃어 산화수가 증가하는 반응을 의미하며, 환원 반응은 화학종이 전자를 얻어 산화수가 감소하는 반응을 의미한다. 이러한 산화-환원 반응은 전자의 이동뿐만 아니라 산소의 이동에 의해서도 일어날 수 있다. 화학종이 산소를 얻으면 산화, 산소를 잃으면 환원된다.
산화-환원 반응의 대표적인 예로 금속의 산화-환원 반응을 들 수 있다. 금속은 전자를 잃어 양이온이 되려는 성질이 있는데, 이때 전자를 잃는 금속은 산화되고 전자를 얻는 금속은 환원된다. 이러한 금속의 반응성 차이는 이온화 경향성에 따라 달라지...
참고 자료
2020 화공기초이론및실험2 실험노트
전기 도금
https://www.scienceall.com/%EC%A0%84%EA%B8%B0-%EB%8F%84%EA%B8%88electroplating/
페러데이 법칙
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1157438&cid=40942&categoryId=32240
탈지세척 원리
https://mechengineering.tistory.com/357
SEM 정의
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A3%BC%EC%82%AC%EC%A0%84%EC%9E%90%ED%98%84%EB%AF%B8%EA%B2%BD
습식도금법: 전기도금과 무전해 도금의 원리와 응용, 이재호, 홍익대학교 재료공학과, 1999.12
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총설: 주사전자현미경의 기본원리와 응용(Part 1), 한국공업화학회, 정석균, 2009,12
Daniel C. Haris, 분석화학, 제 8판, 자유아카데미, pg.321 ~ pg.329
William L. Masterton 외 2인, 마스터톤의 일반화학, 제 7판, 사이플러스, pg.121 ~ pg.124, pg.549 ~ pg.562
안전보건공단 – 화학물질 정보, MSDS
예비세미나 5조 ppt
화공기초실험2 실험노트
Daniel C. Harris, 2017, Quantitative Chemical Analysis, 분석화학 제9판, P334~350
William L. Masterton, 2014, 마스터톤의 일반화학 제7판, 사이플러스, p121~p129
알칼라인수전해용 Ni-Fe 전기도금전극의 산소발생반응특성, 안다솔, 2017.2
습식도금법: 전기도금과 무전해 도금의 원리와 응용, 이재호, 홍익대학교 재료공학과, 1999.12
총설 : 주사전자현미경의 기본원리와 응용(Part 1), 한국공업화학회 , 정석균, 2009,12
이승범⋅정구형⋅이재동, '도금 전처리공정에서 맞춤형 알칼리계 탈지제 개발', Vol. 21, No. 3, June 2010, 301-305
화공기초이론 및 실험2_실험노트
안전보건공단 화학물질정보 MDSD
