|
글제목통일!!!!!!
학년반번 이름! :-)
ex)20120 김한성
말머리 다는 것 잊지 말기!!!!!!!!!1
현대 사회에서 배터리는 빠질 수 없는 필수적인 물건이 되었고, 배터리가 쓰이는 제품은 TV의 리모컨부터 자동차, 비행기까지 이를 정도로 광범위하다. 그리고 미래 사회를 이끌어 갈 것으로 기대되고 있어서 더 긴 수명과 높은 안전성을 가진 배터리들이 연구되고 있다. 한편 사람들은 보통 ‘배터리’ 하면 작고 네모난 건전지만 떠올리곤 하는데, 건전지 외에도 화학반응을 이용한 ‘화학 전지’라는 것이 있다.
화학 전지의 원리는 산화 환원 반응에서 두 수용액 사이에 전자를 주고받을 때 발생하는 전기에너지를 이용하는 것이다. 산화 환원 반응은 전자의 이동과 관련이 있는데, ‘산화’는 전자를 잃는 것이고 ‘환원’은 전자를 얻는 것이다. 아연 금속 판(전극)은 아연 수용액에, 구리 금속 판(전극)은 구리 수용액에 담겨 있으면 아연은 양이온으로 산화되고, 구리는 양이온에서 원자로 환원된다. 한편, 전자는 (-)극에서 (+)극으로 이동하고, 전류는 반대 방향으로 이동한다. 전자가 이동해서 전기에너지가 생성되려면, 전자를 내놓는 산화된 쪽에서 전자를 받는 환원된 쪽으로 이동해야 한다. 따라서 산화 전극인 아연 전극에는 (+)극 도선을, 환원 전극인 구리 전극에는 (-)극 도선을 꽂는다. 그 후에는 약 1.5V 정도의 전압이 도선에 걸려 전기가 생기지만 한 가지 문제가 생긴다. 그것은 바로 수용액에 전하 불균형이 발생해 전류가 떨어지는 ‘분극 현상’이 일어나는 것이다. 분극 현상이란, 도선의 전류가 떨어져 일종의 방전 상태가 되는 현상이다. 그래서 단순히 두 전극을 꽂고 도선을 연결하면 금방 전기가 나간다. 이 문제를 해결한 전지는 최초의 ‘볼타 전지’에서 두 수용액이 담긴 각 비커 사이에 ‘염다리’를 설치한 ‘다니엘 전지’이다. 염다리는 반응성이 작은 물질을 적신 천을 다시 수용액에 적셔 구부린 구조물이다. 반응성이 적은 물질은 수용액 속에서 이온화되어 수용액을 중성으로 유지해 전류를 흐르게 한다. 따라서 염다리는 분극 현상을 해결한다.
화학 전지들 중에서도 전압 차이가 있다. 도선에 큰 전압이 걸릴수록 센 전지이고, 작은 전압이 걸릴수록 약한 전지이다. 한 전지 안에서 두 전극은 전압이 다른데, 환원되는 전극은 (+)값이 나오고, 산화되는 전극은 (-)값이 나온다. 이때 양수와 음수를 나누는 기준은 ‘표준 전지 전위’이고, 이것의 전압은 정확히 0V이다. 산화 전극이든, 환원 전극이든 상관없이, 어떤 한 전극이 꽂혀 있는 수용액의 농도를 묽히면 전지의 전압은 떨어진다. 그 이유는 단순하게도 반응 시 산화 전극에서 환원 전극으로 이동하는 전자의 양이 감소하기 때문이다. 반대로 농도가 진해지면 전압은 커지기 때문에 전압과 수용액의 농도는 비례 관계에 있다. 그런데, 수용액의 농도가 100배 증가하고 나서야 유의미한 전압 증가가 나타나기 때문에 화학 전지를 이용한 배터리를 만들 때 무작정 수용액의 농도를 높이는 것은 비효율적이다.
전압을 측정할 때 두 수용액의 농도가 같다면 전압을 구하는 것은 어렵지 않다. 그런데 농도가 다르면 ‘네른스트 방정식’을 통해 전압을 구할 수 있다. ‘네른스트 방정식’은 표준 전지 전위, 기체 상수, 절대 온도 등 6가지의 상수 또는 변수와 ‘자연로그’로 이뤄진 복잡한 방정식이다. 방정식이 간단하지는 않지만, 측정을 통해 알아낸 여러 값들을 대입하기만 하면 전압을 바로 구할 수 있다는 점에서 매우 유용한 방정식이다.
화학 전지는 수용액을 통해 전기가 흐르게 하지만, 건전지는 전기가 흐르게 하는 것에 물기가 없는 것이 차이점이다. 건전지는 전해질 성분에 따라 알칼리, 망간 아연, 니켈 수소, 리튬 건전지가 있다. 그 중 재충전이 가능한 배터리는 ‘2차 전지’라고 부르는데, 2차 전지들은 충전 방식과 충전하기 전 남아있던 배터리 용량에 의해 수명이 단축되기도 한다. 하지만 수용액을 사용하는 화학 전지를 개량해서 배터리로 만든다면 2차 전지의 단점을 극복하고, 미래 산업을 이끌 새로운 배터리가 될 것으로 기대된다.
In modern society, batteries have become indispensable, and the products used by batteries are so wide that they range from TV remote control to cars and airplanes. And as it is expected to lead the future society, batteries with longer life and higher safety are being studied. Meanwhile, when people think of "batteries," they usually think of only small and square batteries, and in addition to batteries, there is a "chemical cell" using chemical reactions.
The principle of chemical cells is to use electrical energy generated when electrons are exchanged between two aqueous solutions in an oxidation-reduction reaction. The redox reaction is related to the movement of electrons, 'oxidation' is the loss of electrons and 'reduction' is the gain of electrons. If a zinc metal plate (electrode) is contained in an aqueous zinc solution, and a copper metal plate (electrode) is contained in an aqueous copper solution, zinc is oxidized to a cation, and copper is reduced to a atom at the cation. Meanwhile, electrons move from the (-) pole to the (+) pole, and the current moves in the opposite direction. In order for electrons to move and generate electrical energy, they must move from the oxidized side of the electron to the reduced side of the electron receiving it. Therefore, a positive electrode conductive wire is inserted into the zinc electrode as the oxide electrode, and a negative electrode conductive wire is inserted into the copper electrode as the reduction electrode. After that, a voltage of about 1.5V is caught in the wire, creating electricity, but one problem arises. That is, a charge imbalance occurs in the aqueous solution, resulting in a "polarization phenomenon" in which current drops. The polarization phenomenon is a phenomenon in which the current of the conductor falls and becomes a kind of discharge state. So if you simply plug in two electrodes and connect the wires, the electricity will quickly go out. The battery that solved this problem is the "Daniel battery" that installed a "Yumdari" between each beaker containing two aqueous solutions in the first "Volta battery." Yumdari is a structure in which a cloth soaked with a material with low reactivity is bent by wetting it in an aqueous solution again. A material with low reactivity is ionized in an aqueous solution and keeps the aqueous solution neutral to allow current to flow. Therefore, the bridge solves the polarization phenomenon.
Among chemical cells, there is a voltage difference. The larger the voltage on the conducting wire, the stronger the battery, and the smaller the voltage, the weaker the battery. The voltages of the two electrodes in one battery are different, with the reduced electrode having a (+) value and the oxidized electrode having a (-) value. At this time, the criterion for dividing positive and negative numbers is 'standard cell potential', and its voltage is exactly 0 V. Regardless of whether it is an oxidation electrode or a reduction electrode, the voltage of the battery decreases when the concentration of the aqueous solution into which one electrode is inserted is diluted. The reason is simply that the amount of electrons moving from the oxidation electrode to the reduction electrode during the reaction decreases. Conversely, the voltage increases as the concentration increases, so the concentration of the voltage and the aqueous solution is proportional. However, since a significant voltage increase is generated only after the concentration of the aqueous solution increases 100 times, it is inefficient to randomly increase the concentration of the aqueous solution when manufacturing a battery using a chemical cell.
When measuring the voltage, it is not difficult to obtain the voltage if the concentrations of the two aqueous solutions are the same. However, if the concentration is different, the voltage can be obtained through the ‘Nernst equation’. The ‘Nernst equation’ is a complex equation consisting of six constants or variables, including standard cell potential, gas constant, and absolute temperature, and ‘natural logarithm’. Although the equation is not simple, it is a very useful equation in that the voltage can be obtained immediately by substituting the various values obtained through the measurement.
Chemical cells allow electricity to flow through aqueous solutions, but the difference is that batteries do not have water in them. Batteries include alkali, manganese zinc, nickel hydrogen, and lithium batteries depending on the electrolyte components. Among them, rechargeable batteries are called "secondary batteries," and secondary batteries are sometimes shortened in life by charging methods and battery capacity remaining before charging. However, if chemical batteries that use aqueous solutions are made into batteries, they are expected to overcome the shortcomings of secondary batteries and become new batteries that will lead future industries.