본문내용
1. 금속의 기전력 측정
1.1. 실험 목적
실험의 목적은 전기화학 실험을 통해 금속의 표준 전극 전위를 측정하고, 이를 바탕으로 전지의 기전력, 자유에너지 변화량, 평형상수 등을 계산하여 실험 값과 이론 값을 비교하는 것이다. 실험에서는 아연(Zn), 철(Fe), 구리(Cu) 전극을 사용하여 총 3개의 전지를 구성하고 이들의 기전력을 측정함으로써 각 금속의 표준 전극 전위를 구하고자 한다. 이를 통해 각 전지의 자발성을 나타내는 자유에너지 변화량과 평형상수를 계산하고, 실험값과 이론값을 비교함으로써 측정의 정확성을 검증할 수 있다. 또한 오차 분석을 통해 실험 진행 과정에서의 오차 요인을 파악하고 이를 토대로 실험 방법을 개선할 수 있다. 이러한 실험을 통해 전기화학 이론에 대한 이해를 높이고 실험 기술을 향상시킬 수 있다.
1.2. 실험 이론 및 원리
전기화학 분석법은 화학물질과 전극과의 사이에서 일어나는 현상을 전위, 전류, 저항, 주파수, 유전율 등의 값 또는 그 변화로서 해석함으로써 정성 또는 정량분석을 하는 방법의 총칭을 의미한다. 전기화학 분석법은 크게 전위차법(potentiometry), 전기량법(coulometry), 전류법(amperometry), 전압-전류법(voltammetry)으로 나눌 수 있다. 이 중 전압-전류법은 전압-전류 도를 작성하여 전해 전위로 목적 물질을 정성하고, 그때의 전류 값으로 정량한다.
Cyclic Voltammetry는 이러한 전압-전류 법(voltammetry)의 대표적인 예로서 산화 환원 종의 전기화학적인 거동을 살펴보고, 이로부터 산화-환원 반응의 메커니즘을 규명하는 데 기본적으로 가장 많이 사용되는 전기화학적인 방법이다.
산화 반응은 전자제공으로 (+)단자에 연결되고, 환원 반응은 전자소비로 (-)단자에 연결된다. 전자의 이동이 일어나는 redox 반응일 경우 Cyclic Voltammetry를 이용하게 되며, 결과물로 oxidation, reduction peak을 얻게 되어 분석 물의 정성, 정량분석이 가능하게 된다.
표준 환원 전위는 표준 수소 전극과 환원이 일어나는 반쪽 전지를 결합해 만든 전지에서 측정한 전위를 말한다. 이 때 표준 환원 전위를 제시하는 조건은 25 ℃, 전해질 농도 1M, 기체의 경우 1기압이다.
갈바니 전지(볼타전지)는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다. 표준 환원 전위에 따라 전위 값이 높은 곳에서 환원 반응이, 낮은 곳에서 산화 반응이 자발적으로 일어나면서 전극 간 연결된 도선으로 전자가 이동하면서 전기가 흐르게 된다.
다니엘 전지는 볼타전지에서 생기는 단점인 분극 현상을 극복하기 위해 만들어진 전지로, 아연 전극이 있는 비커에는 황산아연 수용액, 구리가 있는 수용액은 황산구리 수용액을 두고 두 비커 사이는 이온이 통할 수 있는 염다리를 설치한다.
전극이 용액 속에 잠기면 전극과 용액이 접촉하는 경계면에서 전기를 띠게 된다. 용액 쪽에 전극의 표면과 반대 부호의 전하가 모이게 되며, 전극의 표면과 좀 더 떨어져 있는 위치의 용액에서는 전극과 같은 부호의 전하가 모이게 되는데 이것을 Double Layer라고 한다.
reference electrode는 실험을 수행하는 동안 전위가 바뀌지 않는 전극으로 전위가 안정적으로 일정하게 유지되는 특징이 있다. working electrode는 반응물에 전자를 공급 또는 수용하는 역할을 하고, counter electrode는 working electrode의 전류 흐름을 위해 사용된다.
Nernst equation은 산화-환원 반응의 평형전위와 반응물, 생성물의 농도 관계를 나타내는 식으로, E=E°-(2.303RT/nF)logQ의 형태로 표현된다. 여기서 E°는 표준 환원전위, n은 반응에 관여하는 전자수, F는 Faraday상수, Q는 반응물과 생성물의 농도비를 나타낸다.
1.3. 실험 결과
실험적으로 얻은 cell별 standard electrode potential의 값은 다음과 같다.
cell standard electrode potential(E^{o})
Zn│ Zn^{2+}(1M)││ Cu^{2+}(1M)│Cu 0.99V
Zn│ Zn^{2+}(1M)││ Fe^{3+}(1M)│Fe 0.51V
Fe│ Fe^{3+}(1M)││ Cu^{2+}(1M)│Cu 0.49V
상온에서 측정한 위 값들을 이용하여 ΔG^{o}와 K_{eq}를 구하고, E_{cell}^{o}을 구하기 위해 아래의 식을 이용한다.
또, 측정한 E^{o} 값과 참고(1)자료를 이용하여 E_{cell}^{o}의 값을 비교한다.
ΔG^{o} = -nFE^{o}
lnK_{eq} = -ΔG^{o}/RT
여기서 n : 전송된 전자의 몰 수 = 2
F : 패러데이 상수 = 96500 (C/mol)
R : 기체상수 = 8.3145 (J/K mol)
T : 온도 = 298.15 (K)
E_{cell}^{0} = E_{(ox)}^{0} + E_{(red)}^{0}
각 실험 값으로 계산한 결과를 표로 정리하면 다음과 같다.
전지 ΔG^{o}(kJ/mol) K_{eq} E_{cell}^{o}(V) E^{o}(V)
Zn│ Zn^{2+}(1M)││ Cu^{2+}(1M)│Cu -1...
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