소개글
"전기분해와 전기도금 예비"에 대한 내용입니다.
목차
1. 전기분해와 전기도금
1.1. 전기화학 반응의 이해
1.1.1. 산화와 환원 반응
1.1.2. 전극의 개념
1.2. 전기도금의 원리
1.2.1. 전기화학 도금 과정
1.2.2. 합금 도금의 특성
1.3. 표준 환원 전위와 가역수소전극
1.3.1. 표준 수소전극(SHE)와 표준 환원 전위
1.3.2. 가역수소전극(RHE)과 전극 전위 계산
1.4. Nernst 방정식
1.4.1. 농도에 따른 전위 변화
1.4.2. Nernst 방정식의 유도 및 적용
1.5. 전처리와 탈지 세척
1.5.1. 전처리의 필요성
1.5.2. 알칼리 침지 탈지법
1.6. 3전극 시스템
1.6.1. 작업전극, 기준전극, 상대전극의 구성
1.6.2. 기준전극의 역할
1.7. 페러데이 법칙과 패러데이 효율
1.7.1. 페러데이 법칙의 이해
1.7.2. 패러데이 효율 계산
1.8. 산소 발생 반응과 수소 발생 반응
1.8.1. 산소 발생 반응(OER)
1.8.2. 수소 발생 반응(HER)
1.9. 실험 장치 및 시약
1.9.1. 황동판, Pt wire, pH meter 등 주요 기기
1.9.2. NaOH, NaCN, HCl, CuSO4 등 시약 특성
2. 참고 문헌
본문내용
1. 전기분해와 전기도금
1.1. 전기화학 반응의 이해
1.1.1. 산화와 환원 반응
산화와 환원 반응은 전기화학 반응에서 핵심적인 개념이다. 산화 반응은 전자를 잃어 전하가 증가하는 반응을 의미하며, 환원 반응은 전자를 얻어 전하가 감소하는 반응을 의미한다. 이때 전자를 잃어 산화되는 물질을 환원제, 전자를 받아 환원되는 물질을 산화제라 한다.
전기화학 반응에서 산화 반응은 양극(아노드)에서 일어나며, 환원 반응은 음극(cathode)에서 일어난다. 예를 들어 철이 산화되어 이온화되는 반응 Fe → Fe2+ + 2e-은 양극에서의 산화 반응이며, 구리 이온이 환원되어 금속 구리로 석출되는 반응 Cu2+ + 2e- → Cu은 음극에서의 환원 반응이다.
이처럼 전기화학 반응에서 산화와 환원 반응은 동시에 일어나며, 양극과 음극에서 각각의 반쪽반응이 진행된다. 산화 반응과 환원 반응의 균형을 맞추기 위해 전자가 전극을 거쳐 이동하게 되며, 이때 흐르는 전류가 전기화학 반응의 구동력이 된다. 따라서 산화와 환원 반응의 이해는 전기화학 반응을 이해하는데 필수적이다.
1.1.2. 전극의 개념
전극이란 전기화학 반응이 일어나는 장소로, 전해질 용액과 접하고 있는 금속 도체 또는 도전성 물질을 말한다. 전극은 산화 반응이 일어나는 전극인 양극(Anode)과 환원 반응이 일어나는 전극인 음극(Cathode)으로 구분된다.
양극에서는 산화 반응이 일어나 전자가 방출되며, 음극에서는 환원 반응이 일어나 전자가 흡수된다. 이렇게 전자가 전극과 전해질 사이를 이동하면서 전기화학 반응이 진행된다. 전극 표면에서의 반응은 전극 전위에 따라 달라지며, 전극 전위는 전극과 전해질 계면에 형성되는 전위차를 나타낸다.
전극에서 일어나는 반응은 전기화학 화학반응으로, 자발적으로 일어나는 산화-환원 반응을 전기 화학적으로 촉진하거나 비자발적인 반응을 유도할 수 있다. 이러한 전기화학 반응을 활용하는 대표적인 예가 전기도금, 전해 정제, 연료 전지 등이다.
전극의 재료로는 백금, 금, 탄소, 수은 등이 주로 사용되며, 전극 재료의 선택은 전해질 조성, 반응 속도, 전압 범위 등에 따라 달라진다. 예를 들어 백금 전극은 높은 전기화학적 안정성으로 인해 다양한 전기화학 반응에 널리 사용된다.
따라서 전극은 전기화학 반응의 핵심 구성 요소로, 전극 계면에서의 반응 특성에 따라 전기화학 시스템의 성능이 크게 좌우된다고 볼 수 있다.
1.2. 전기도금의 원리
1.2.1. 전기화학 도금 과정
전기화학 도금 과정은 전기 에너지를 이용하여 전극 표면에 특정 물질을 코팅하는 것을 말한다. 전기도금은 전압이나 전류를 제어하여 물질을 증착하는 전기화학적 도금 방식이다.
전기화학 도금 과정은 다음과 같이 진행된다. 먼저 도금하고자 하는 금속 이온이 포함된 전해질 용액을 준비한다. 그 다음 도금하고자 하는 물체를 음극(cathode)으로, 도금 금속을 양극(anode)으로 하여 전기화학 전지를 구성한다. 직류 전원을 인가하면 양극에서 금속 이온이 용출되어 전해질로 들어가고, 음극에서 금속 이온이 환원되어 금속으로 석출된다. 이렇게 하여 음극 표면에 도금 금속이 증착된다. 이때 음극 표면과 전해질 계면에서 환원 반응이 일어나므로 전기화학 도금이라 한다.
전기화학 도금 과정은 다음과 같은 장점이 있다. 첫째, 환원제를 사용하지 않는 간단하고 쉬운 방법으로 다양한 물질을 도금할 수 있다. 둘째, 전기 에너지를 이용하여 도금하므로 도금량과 도금 속도를 제어할 수 있어 도금 높이, 전극 표면 상태를 용이하게 조절할 수 있다. 셋째, 전기도금은 복합체 구조를 만드는데 유리하다.
따라서 전기화학 도금 과정은 전기화학적 원리를 이용하여 전극 표면에 물질을 효율적으로 증착시킬 수 있는 방법이다.
1.2.2. 합금 도금의 특성
합금 도금의 특성은 다음과 같다.
합금 도금은 한 도금 용액으로부터 2종류 이상의 금속을 석출시키는 도금 방법이다. 단일 금속의 도금에서 얻을 수 없는 여러 가지 장점을 가지고 있다. 합금 도금은 미세한 입자가 치밀하게 석출되어 있어 광택이 우수하고 피트와 유공도가 적을 뿐만 아니라 경도가 큰 비결정질인 경우가 많아 내마모성이 우수하다. 또한 합금의 조성 및 공석 비율의 변화에 따라 색상 및 색조를 다양하게 변화시킬 수 있으며, 물성을 원하는 것에 일치시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
1.3. 표준 환원 전위와 가역수소전극
1.3.1. 표준 수소전극(SHE)와 표준 환원 전위
표준 수소전극(Standard Hydrogen Electrode, SHE)은 촉매성의 백금(Pt) 전극 표면을 수소 이온의(H⁺) 활동도가 1인 산성 수용액에 접촉하게 하고, 1기압의 수소 기체를 전극이 담긴 통 속에 넣어준 전극을 말한다. 표준 환원 전위(standard reduction potential)는 표준 상태인 25℃, 1atm,...
참고 자료
네이버 지식백과 화학용어사전 ‘potentiostat’
네이버 지식백과 화학백과 ‘Nernst equation’ , ‘표준 환원 전위’, ‘전기도금’
네이버 지식백과 물리학백과 ‘패러데이 전기분해 법칙’
Yu-Chuan Chien, Daniel Brandell, Matthew J.Lacey ‘Towards reliable three-electrode cells for lithium–sulfur batteries’
Alex W. Colburn, Katherine J. Levey, Danny O'Hare, Julie V. Macpherson ‘Lifting the lid on the potentiostat: a beginner's guide to understanding electrochemical circuitry and practical operation’
Paul A. Kempler, Adam C. Nielander ‘Reliable reporting of Faradaic efficiencies for electrocatalysis research’
Gregory Jerkiewicz ‘Standard and Reversible Hydrogen Electrodes: Theory, Design, Operation, and Applications’
이승범, 정구형, 이재동 ‘도금 전처리공정에서 맞춤형 알칼리계 탈지제 개발’
2023 화공기초 이론 및 실험 2 실험노트
공학화학실험
네이버 백과사전
Daniel C. Harris Quantitative chemical Analysis 8E
전기화학적 이산화탄소 전환 소재기술(1)-제5장 수소생산·이산화탄소 전환용 소재 기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016
RE 안전환경 “금속표면 전처리(도금)”
네이버 지식백과 “Nernst equation”
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MSDS
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