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아연판을 황산에 넣으면 반응하여 수소가 발생한다.
Zn(s) + H2SO4(aq) --> ZnSO4(aq) + H2(g)
이 반응의 알짜 이온 반응식을 나타내면 다음과 같다.
Zn + 2H+ --> Zn2+ + H2
아연이 수소보다 이온화 경향이 크므로 수소 이온에게 전자를 주고 양이온으로 되며
수소 이온은 전자를 받아 수소 기체가 생긴다.
아연판 표면에서 아연은 산화하고 수소는 환원하는 것이다.
만일 황산 속에 아연판과 구리판을 넣고 도선으로 연결하면
이번에는 아연판 표면에서
수소 이온과의 사이에 전자를 주고 받는 게 아니라
아연이 구리보다 이온화 경향이 크므로
아연이 산화하여 양이온으로 되어 녹고
이 때 생긴 전자가 아연판에서 구리판으로 이동하여
구리판에 모인 전자를
수용액 속의 수소 이온이 받아 환원하여 수소 기체로 된다.
이것이 화학전지의기본 원리이다.
물질에 전류를 통하여 화학반응을 일으키고, 화학반응을 통하여 전기를
만드는것을 다루는 분야
전기 분해
1) 전기 분해 : 산화와 환원 반응을 이용하여 전지에너지를 화학에너지로
바꾸어 물질을 분해하는 반응
2) 전극 - 백금이나 흑연과 같이 전기 분해할 용액이나 전해질에 의해 침식
- 전지와 직렬연결
- 전지는 전자펌프의 역할
① 양극 : 전자를 잃는 전극 - (+)전하를 띰 : 산화 반응이 일어나는 전극
② 음극 : 전자를 얻은 전극 - (-)전하를 띰 : 환원 반응이 일어나는 전극
3) 전기분해를 통하여 우리가 필요로 하는 물질을 얻을 수 있다
① 환원 어려운 이온이나 산화되기 어려운 이온을 포함한 수용액에서 환원
※ 산화시킬 수 없는 이온 ; F-, SO42- , CO32- , PO43- , NO3-
※ 환원시킬 수 없는 이온 : Li+ , Na+ , K+ , Mg2+ , Ca2+ , Ba2+ , Al3+
음극 : 2 H2O(l) + 2 e- → 2 OH- + H2 (환원)
양극 : 2 H2O(l) → O2 + 4 H+ + 4 e- (산화)
전체 반응 : 2 H2O(l) → 2 H2 + O2
② 환원되기 어려운 이온이나 산화되기 어려운 이온을 포함한 화합물은
용융 전기 분해하여 원하는 물질을 얻을 수 있다
2 NaCl(l) -----------> 2 Na + Cl2
음극 : 2 Na+ + 2e- → 2 Na (환원)
양극 : 2 Cl- → Cl2 + 2 e- (산화)
4) 전기분해의 공업적 이용
(가) 소금물의 전기 분해 → NaOH , Cl2 , H2
음극 : (환원) 2 H2O(l) + 2 e- → H2 + 2 OH-
양극 : (산화) 2 Cl- → Cl2 + 2 e-
전체반응 : 2 H2O(l) + 2 Cl- → H2(g) + Cl2(g) + 2 OH-(aq)
* H2 와 Cl2는 접촉하면 폭발적으로 반응 : 음극을 다공성 격막으로 둘러 싸야 함
(격막 용기)
(나) 전기 도금
① 도금할 물건 : 음극 → 표면애 금속이온이 환원 금속이 표면에 덮힘
② 도금 시키는 금속 : 양극
③ 도금 시키는 금속이 녹아 있는 전해액에 직류 전류를 통함
④ 은의 도금
음극 : 도금할 물건
양극 : 은
전해액 : K[Ag(CN)2] 용액
음극 : [Ag(CN)2]- + e- → Ag + 2 CN- (은이 환원)
양극 : Ag+ + 2 CN- → [Ag(CN)2]- + e- (은이 산화)
3) 페러데이 법칙
① 전기분해에 의해 생성 소모되는 양은 통해준 전하량에 비례
② 통해준 전하량이 일정할 때 얻어지는 물질의 양은 에
비례한다
③ 전하량(C) = 전류의 세기(A) × 시간(s)
④ 1F(패럿) : 전자 1몰의 전하량 = 1.60×10-19C × 602 ×10 23 = 96485C
: 전자 1개의 전하량 = 1.60×10-19C
⑤ 전기분해에서의 양적 관계
· 염화구리 수용액을 백금 전극을 사용 전기 분해
음극 : Cu2+ + 2e → Cu (환원)
양극 : 2 Cl- → Cl2 + 2 e- (산화)
· 음극에서 1몰의 전자에 의해 Cu2+ 1/2몰 환원
· 양극에서 1몰의 전자에 의해 Cl- 1몰이 산화
전지
1) 전지 : 자발적인 산화 환원 반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로
바꾸는 장치
2) 전지의 구조
① 산화 반응이 일어나는 부분과 환원 반응이 일어나는 부분이 직접 접촉하지 않도록 만듦
② 산화 반쪽 반응에서 생긴 전자 → 외부 도선 → 환원 반쪽 반응이일어 나는 곳으로 이동
. 양극 : 산화가 일어나는 전극 : (-)극 → 이온화 경향이 큰 금속
. 음극 : 환원이 일어나는 전극 : (+) 극 → 이온화 경향이 작은 금속
③ 반쪽 전지 : 산화 . 환원 반응이 일어나는 각 부분
금속 . 금속 양이온으로 구성
④ 염다리 : 용액과 용액이 서로 섞이는 것을 방지하고 이온만 이동 시킴
⑤ 전지의 표시
Zn2+ │ Zn ∥ Cu2+ │ Cu
산화전극 염다리 환원전극
(양극,(-)극) 음극, (+)극
전극 전위
1) 기전력 : 전지의 전압
(측정시 외부도선에 전류가 흐르지 않을 때 : 최대 전압)
표준 기전력 : 용액의 농도가 1몰농도이고 1기압에서의 기전력
2) 전극 전위 : 반쪽 전지에 대한 위치에너지의 높이에 해당하는 양
① 전극 전위가 작은 반쪽 전지 : (-)극 → 산화
② 전극 전위가 높은 반쪽 전지 : (+)극 → 환원
③ 전자의 이동 : 전위가 작은 (-)극에서 높은 (+)극으로 이동
④ 전류의 이동 : 전위가 큰 (+)극에서 낮은 (-)극으로 이동
3) 표준 수소 전극 전위 :
수소 기체의 압력이 1기압이고 H+의 농도가 1M 인 수소 전극의 전위 = 0
4) 표준 전극 전위
① 표준 수소 전극에 금속이온│ 금속 의 반쪽 전지를 연결하였을 때
반쪽 전지의 전극 전위 (금속 이온의 농도가 1M)
②
③ 표준 전극 전위는 보통 표준 환원 전위로 표시
. 표준 수소 전극과 연결하여 측정한 반쪽 전지 전위를 환원 반응의
형태로 나타냈을 때의 전위
. 값이 클 수록 환원 반응이 잘 일어남 (산화력이 강함)
값이 큰 물질일수록 (+)극이 된다
④ 표준 기전력(Eo)의 계산
Zn2+ │ Zn ∥ Cu2+ │ Cu 에서의 표준 기전력
Cu2+ + 2 e- → Cu Eo = + 0.34 V (1)
Zn2+ + 2 e- → Zn Eo = - 0.76 V (2)
전체 반응이 Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+ 이므로
(1) - (2) 식하면
∴ Eo = + 0.34 V - (-0.76 V ) = 1.1 V
위 그림과 같은 전지를 볼타 전지라 한다.
아연이 구리보다 반응성이 커서 쉽게 산화하여 용액 속으로 녹아 들어가며
이 때 생긴 전자가 도선을 따라 구리판으로 이동하게 된다.
구리판으로 온 전자를 용액 속의 수소 이온이 환원하여
수소 분자로 되어 소모함으로써 계속적인 전자의 이동을 촉진하게 되는 것이다.
전류가 (+)극에서 (-)극으로 흐른다는 것을
그러면 위 그림에서 (+)극과 (-)극은 어떻게 구분하는가
전자는 (-) 전기이므로 전자 흐름의 반대 방향이 전류가 흐르는 방향이고,
따라서 구리판이 (+)극, 아연판이 (-)극
반드시 기억할 일은 전지는 (-)극[마이너스극]에서 산화가 일어난다는 사실이다.
(-)극[아연판] Zn --> Zn2+ + 2e- ; 산화
(+)극[구리판] 2H+ + 2e- --> H2 ; 환원
(-)극[아연판] Zn --> Zn2+ + 2e- ; 산화
(+)극[구리판] Cu2+ + 2e- --> Cu ; 환원
다음 그림에서 (-)극에서는 아연이 산화하여 녹아 들어가고
전자가 구리판 쪽으로 이동하며,
(+)극에서는 용액 속의 구리 이온이 환원하여 구리판에 달라붙으므로
(-)극은 점점 가벼워지고 (+)극은 점점 무거워진다.
이온의 균형을 맞추기 위하여,
황산구리 용액이 들어 있는 전해조에서 Cu2+이온이 석출되므로
상대적으로 황산 이온(SO42-)이 많은 (+) 전해조에서
(-) 전해조 쪽으로(오른쪽에서 왼쪽으로)
염다리를 통하여 황산 이온이 이동한다.
(-) 전해조에는 아연이 계속 이온화하여 점점 양이온이 많아지므로
염다리를 통해 왼쪽에서 오른쪽으로 아연 이온(Zn2+)이 이동한다.
그러므로 만일 염다리가 없다면
전체 회로가 구성되지 않으므로 전류가 흐르지 않는다.
자동차용으로 흔히 쓰이는 납축전지는
충전해서 되풀이 사용할 수 있는 전지로서 2차 전지이다.
방전이란 전지로부터 전기 에너지를 외부로 꺼내 쓰는 과정이고
충전은 외부에서 전기 에너지를 보충해 주는 과정이다.
충전을 하려면 그 전지가 갖는 기전력(전압)보다
조금 더 높은 전압을 걸어 주어야 한다.
1차 전지는 건전지와 같이 한번 다 쓰면 더 쓸 수 없는 1회용 전지이고,
2차 전지는 충전해서 다시 쓸 수 있는 전지로서
납축전지나 여러분들이 흔히 카세트에 많이 쓰는 니카드(Ni-Cd) 전지들을 말한다.
자원의 효율적 이용이나 환경 문제를 생각한다면
1차 전지보다는 될 수 있는 대로 2차 전지를 쓰는 게 더 좋다
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