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[실험보고서] 화학전지

화학 전지1. Title화학 전지2. Abstract이 실험에서는 아연과 구리 전극으로 다니엘 전지를 만든 후 이 전지를 가지고, 농도에 따른 전지의 기전력을 측정해보고, 실험 B에서는 공유결합, 이온결합, 전해질 관한 실험을 해본다. 마지막으로, 실험 C에서는 다니엘 전지로부터, 잘 녹지 않는 염의 용해도 곱 상수(Solubility Product)를 구해보도록 한다.3. Introduction이번 실험에서 중요한 것은 다니엘 전지다. 다니엘 전지의 특징은 염다리를 이용해 볼타전지의 분극 현상을 없앴다는 것이다. 염다리는 반쪽반응이 일어나는 각각의 실험장치에서 산화반응이 일어나는 곳과 환원반응이 일어나는 곳이, 직접 전자를 주고받지 못하게 이온을 분리시켜 주는 작용을 하는 역할을 수행한다. 염다리를 통해서 전자가 아닌 이온이 이동하도록 하여 전기가 흐르도록 한다. 염화칼륨이나 질산칼륨이 들어있어 (-)극에서 양이온이 증가할 때에는, 염다리의 질산이온이 이동하고, (+)극에서 음이온이 증가할 때에는 염다리의 칼륨이온이 이동하여 이온의 균형을 맞추어 주는 역할을 수행한다. 염다리는 따뜻하게 녹인 우뭇가사리에 질산칼륨이나 염화칼륨을 포화시켜서 U자관에 넣고 냉각시켜 만든다. 각 실험재료와 과정을 살펴보자.4. Procedure(1) 실험AMaterials아연판, 구리판, 염다리, 비커, 전압계, 전선, 사포, Zn(NO3)2(0.1M), Cu(NO3)2 (0.1M, 0.01M, 0.001M)Methods1. 아연과 구리 반쪽 전지를 염다리로 연결하여 다니엘 전지를 만든다. 양쪽 모두 0.!M 용액을 사용하여 전위차를 측정하고 예상한 값과 비교한다.2. Cu(NO3)2 용액을 10배씩 묽혀서 0.01 M, 0.001 M 용액을 만든다. 이 용액을 각각 0.1M Zn(NO3)2 용액과 연결하여 다니엘 전지를 만든 후 전위값을 측정하고 예상한 값과 비교한다. 묽힌 용액으로 전극을 잘 씻어준 다음에 전위를 측정하는 것이 좋다.3. 각각에 대하여 0.0592 log(농도)화학 교재 Ch.12 전기화학 관련 부분 참조)(2) 실험BMaterialsLED, 건전지, 두 개의 전극판, 비커, 전선, 증류수, 설탕, 소금, 오렌지주스Methods1. 건전지에 LED를 연결하고 불이 들어오나 본다.2. 증류수를 담은 비커를 건전지 회로의 일부분이 되게 연결하고 LED에 불이 들어오나 본다.3. 설탕을 담은 비커를 위의 건전지 회로의 일부분이 되게 연결하고 LED에 불이 들어오나 본다.4. 3의 비커에 증류수를 가하고 저은 후 LED에 불이 들어오나 본다.5. 소금을 담은 비커를 회로의 일부분이 되게 연결하고 LED에 불이 들어오나 본다.6. 5의 비커에 증류수를 가하고 저은 후 LED에 불이 들어오나 본다.7. 회로에 귤을 연결하고 LED에 불이 들어오나 본다.8. 관찰 사실을 토대로 시험해본 각 물질과 용액의 전기 전도도를 설명해본다.9. 소금의 성분인 나트륨과 염소의 전기음성도 차이와 설탕의 성분인 탄소, 수소, 산소의 전기음성도 차이에 대하여 무엇을 말할 수 있나? 문헌에서 각 원소의 전기음성도를 찾아보고 자신의 생각의 타당성을 확인하라.10. 이온 결합은 공유 결합의 극단적인 경우라고 볼 수 있을까?(3)실험CMaterials아연판, 은 wire, 비커, 염다리, 전압계, 전선, 0.010M Ag(NO3), 0.020M Zn(NO3)2, KClMethods1. 다음과 같은 다니엘 전지를 만들어보자. 0.010M Ag(NO3)와 0.020M Zn(NO3)2용액의 부피는 50ml로 한다. (!!주의!! 부피를 정확하게!!)Zn(s) | Zn2+(aq) || Ag+(aq) | Ag(s)2. 만든 전지의 전압을 측정하고 계산값과 비교해 보자.3. 오른쪽 반쪽 전지의 Ag(NO3)용액에 KCl(s)를 첨가하면 AgCl(s)침전이 생성될 것이다. 최종 [K+]가 0.030M 이 되도록 하자. (주의! KCl을 첨가해 준 다음에는 용액내의 은이온 농도가 고르도록 잘 흔들어 준 다음에 전압을 측정해야한다.)4. 전압을 측정하자.5. 실험 결과3)2의 농도가 묽어질수록 다니엘 전지의 예상기전력과 측정된 기전력이 감소하였다.Cu(NO3)2 농도0.1M0.01M0.001M예상값(V)1.101.07041.0408측정값(V)0.8760.8700.867예상값을 계산하기 위해서는 Nernst식을 이용해야 한다.Ecell = Eocell - (RT/nF) X ln Q여기에, 상수 R, 온도 298K(25℃), F(페러데이 상수)를 대입하면,Ecell = Eocell - (0.0592/n) log Q (values in volts, at 25oC)반응식을 써보면Zn(s) + Cu2+ (aq) ↔ Zn2+(aq) + Cu(s) 에서, 2몰의 전자가 이동하고,0.1M일 때 Q=[Zn2+]/[Cu2+]=1.0, 0.01M일 때 Q=10, 0.001M일 때 Q=1.0*102, 이 전지의 표준기전력을 1.10V이라 하면 예상값은1.10-(0.0592/2)log(1.0)=1.10(V)1.10-(0.0592/2)log(10)=1.10-0.0296=1.0704(V)1.10-(0.0592/2)log(1.0*102)=1.10-0.0592=1.0408(V)이다.기울기의 역수를 구해보면 무려 13.16이 나온다. 이론값을 가지고 기울기의 역수를 구해보면 정확히 2가 나온다. 즉 이 반응에 관계하는 전자의 몰수는 2몰이다.- 증류수와 설탕물, 고체상태의 설탕, 소금에서는 거의 전류가 통하지 않았으며 오렌지주스와 소금물에서는 전류가 흘렀다.시료증류수설탕설탕물소금소금물귤관찰사실××××○○증류수나 설탕과 같은 공유결합 물질은 아무리 전류를 통하려 해도 잘 통하지 않는다. 즉 전기전도도가 낮다. 또한 설탕물과 같이 공유결합 물질의 혼합물도 전류를 통하지 못했다. 소금은 이온결합 물질로 고체인 상태에서는 전류를 통하지 못했지만 물에 녹아 전해질 상태가 되어서는 전류를 통했다. 오렌지주스도 약하기는 하지만 전류를 통했다. 귤은 약한 산성을 띠기 때문에 전자를 이동시켜줄 이온이 있기 때문이다. 전류가 통한다는 것은 전자가 이동을 한다는 것인데 이온르게 한다. 공유결합물질은 이와 같은 작용을 할 수 없다. 전기음성도 차를 비교해 보면 이온결합은 전기음성도 차가 1.7이상 되는 것들이다. 따라서 이온결합을 극성공유결합의 극단적인 모습으로 볼 수 있겠다.- KCl(s)을 첨가하면 침전물이 생겨 용액이 뿌옇게 흐려지는 동시에 다니엘전지의 전압이 감소하였다.data전압(V)KCl(s)첨가 전1.202KCl(s)첨가 후0.874E = E+ - E- = 1.56 - (0.0592/2) log { [Zn2+]/[Ag+]2}Zn2+의 농도는 0.020M로 일정하므로 기전력의 변화는 Ag+의 농도변화에만 영향을 받는다. KCl의 첨가후 기전력이 0.328감소했다. aM감소했다면[1.56-(0.05916/2)log(0.020/(0.010)2)]-[1.56-(0.05916/2)log(0.020/(0.010-a)2)]=0.328(0.05916/2)(log(0.020)-2log(0.010-a)-log(0.020)+2log(0.010))=0.3280.059216log(0.010/0.010-a)=0.328-log(1-100a)=5.54a=0.010-10-7.54따라서 거의 모든 Ag+가 반응했다.50ml의 Ag(NO3)2용액에 KCl(s)를 첨가하여 최종 [K+]이 0.030M이 되도록 만들기위해 KCl(s)를 0.112g을 넣는다.실험 C에서 KCl을 넣기 전의 전지의 이론적 전압을 구해보면 Zn2+(aq) + 2e -> Zn(s)의 표준 환원 전위가 -0.762V, Ag+(aq) + e -> Ag(s)의 표준 환원 전위가 0.799V 이므로표준 기전력은 1.561V이다. 여기서 네른스트 식을 쓰면E = 1.561 - (0.0592/2) log(0.02/0.012) = 1.561 - 0.0296 × 2.3010 = 1.493V여기에 KCl을 넣으면 Ag+ 와 Cl-가 반응하여 AgCl 침전을 형성하게 된다.실험에서 넣기 전의 전압이 1.202V, 넣은 후의 전압이 0.874V이므로 전압 변화량은-0.328V이다. 반응 후 Ag+ = 4.08×10-7M가 나온다. 또 Cl-가 처음에 0.03M이었으므로 반응하고 남은 Cl- 농도는 약 0.02M이라고 할 수 있다. 그렇다면 ksp = 8.16×10-9이다.문헌에서 찾은 Ksp = [Ag+][Cl-] = 1.6×10-10 이다. 이론값과는 많은 오차가 있다.참고) 다니엘 전지에서는 왜 아연과 구리가 사용될까?4주기 원소들의 표준환원전위 값을 살펴보면Ca(-2.87 V), Ti(-1.63), V(-1.13), Cr(-0.90), Mn(-1.18), Fe(-0.44),Co(-0.27), Ni(-0.26), Cu(0.34), Zn(-0.76) 순서로 전반적으로 증가하는 경향을나타낸다. 그런데 예외적으로 구리와 아연 사이에는 역전이 나타난다. 다니엘 전지는이 사실을 이용하는 것이다.6. Discussion이번 실험은 화학전지에 대한 전반적인 내용을 알아보는 실험이었다. 첫 번째 실험인 다니엘 전지 실험에서는 이론 전압값과 실제 실험 전압값이 상당히 많은 차이를 보였다. 그리고 n의 값이 너무 터무니없게 나왔다. 첫 번째 실험은 완전히 실패한 것 같다. 가장 큰 이유는 용액의 농도일 것이다. 아무래도 실험 시간에 급하게 하다보니 잘못된 농도의 용액이 만들어진 것 같다. 그리고 우리 조의 경우 실험이 늦어져서 급하게 하다보니 전압을 측정할 때 수치가 변하지 않을 때까지 지켜봐야 하는 것인데 그 전에 측정을 마쳤기 때문에 이런 말도 안 되는 결과가 나온 것 같다. 다른 이유로는 구리판과 아연판 상의 문제도 생각해 볼 수 있다. 아연판과 구리판이 이미 너무 오래 보관되거나 또는 여러 번 실험을 거침에 따라 산화되고 환원되어 오차의 원인이 되었을 수 있다. 따라서 새로운 아연판과 구리판을 이용해서 실험을 했더라면 좀 더 정확한 실험이 되었을 것 같다. 두 번째 실험인 전기 전도도 실험에서는 공유 결합 물질은 전기 전도도가 낮지만 이온의 경우 양이온이 전자를 받아 환원되면서 음이온이 전자를 내놓고 산화가 돼 전자가 이동하는 것처럼 전류를 흐르게 한다는 사로웠다.

자연과학| 2003.06.03| 6페이지| 1,000원| 조회(1,284)

전지, 화학전지, 다니엘전지

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