화학 전지화학실험 2조

PURPOSE

• 전지의 원리를 산화-환원 반응으로 설명할 수 있다.

• 기전력의 개념을 이해하고, 표준 환원 전위표에 나타난 전극 전위를 설명할 수 있다.

• 간이 표준 수소 전극을 이용해 각 반쪽 전지들의 전극 전위를 측정할 수 있다.

• 간단한 반쪽 전지를 이용해 여러 전지를 만들어 보고 기전력을 측정할 수 있다.

• 일상생활에서 많이 접하는 사물에 대해 과학적으로 접근하는 태도를 가진다.

INTRODUCTION

전극 전위

• 화학 전지 내에서산화환원반응이 일어나면서전자의이동으로인해 생기게 되는 두 전

극 사이의 전위차를기전력이라고한다. 전지의기전력은 2개의반쪽 전지를도선으로

연결했을때 일어나는 전자의이동으로인해 생기기 때문에반쪽 전지만으로는측정할

수없다. 따라서표준 수소전극을기준으로 표준수소전극과다른반쪽전지로이루어

진 전지의 기전력을측정하여각 반쪽 전지 전위의상대적인 크기를정하게 된다. 이를

그 반쪽 전지의 전극전위라고 한다.

전극 전위차(기전력)

• 화학 전지 내에서 산화환원 반응이 일어나면 두 전극

사이에전위차가 생겨전자가 이동하는데, 이때 두 전

극 사이의 전위차(전압)를기전력이라 한다.

표준 환원 전위

• 𝐸0환원이라 나타낸다. 표준수소 전극과 연결하여 측정한 반쪽전지의 전

위를 환원 반응의형태로 나타냈을 때의 전위. 표준환원 전위가 클수록

환원되기 쉽고, 산화력이크다. 표준 환원 전위값이 (+)이면수소보다 환원

되기 쉽고, (-)이면 수소보다환원되기 어렵다. 전지에서는 표준 환원전위

가 큰 쪽이 (+)극, 작은 쪽이 (-)극이 된다.

볼타 전지

• 아연판과구리판을묽은 황산에 담그고도선으로연결한전지

• 전지식 : (-) Zn | H2SO4(aq) | Cu (+)

Zn (-극) 반반응 : Zn(s) → Zn2+ + 2e- (산화)Cu (+극) 반반응 : 2H+(aq) + 2e- → H2(g) (환원)

전체반응 : Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)

다니엘 전지• 볼타전지에서 수소 기체가 발생하여 분극 현

상이 일어나 전압이 떨어지는 현상을 방지하

기 위해 고안하였다. 황산아연 수용액에 아연

판을 넣은 반쪽 전지와 황산구리(ii) 수용액에

구리판을 넣은 반쪽 전지를 염다리로 연결한

전지

• (-) Zn | ZnSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu (+)

Zn (-극) 반반응 : Zn(s) → Zn2+ + 2e- (산화)

Cu (+극) 반반응 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (환원)

전체반응 : Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

염다리

• 두 반쪽 전지의전해질 용액이 섞이지 않게 하고, 이온을 이동시켜 전해질

용액에서 양이온과 음이온이전하 균형을 이루게 한다. 전극반응에 영향

을 주지 않는염화칼륨, 질산칼륨, 황산나트륨 등을 한천용액에 녹인 다

음 굳혀서 만든다. (-)극에서는양이온이 생성되므로 염다리 안의 음이온

은 (-)극으로이동한다. (+)극에서는양이온이 소모되므로 염다리 안의 양

이온은 (+)극으로이동한다.

표준 수소 전극

• 25도에서 1M의 수소이온수용액에 백금 전극을 꽂고, 이백금 전극의 둘

레에 1기압의 수소 기체를 채워 놓은 반쪽 전지이다. 다른 반쪽 전지에 연

결하여 그 반쪽전지의 전위를 측정하는 데 사용한다. 표준 수소 전극 전

위는 0.00V이므로 측정된 전압이 구하고자 하는전극의 표준 전극 전위가

된다.

화학 전지

• 화학 전지는 화학 반응으로 전기를 생산하는 전지로, 일반적으로널리 쓰

이는 1.5V 건전지(갈바니전지)부터 시작해볼타전지, 다니엘 전지, 알칼

리 전지, 납축전기, 수은 전지, 니켈-카드뮴 전지, 연료전지 등이있다.

REAGENT & APPARATUS

멀티테스터

부피 플라스크

약수저

6홈판

유리막대와1회용 스포이드

약포지

비커들

패트리 접시

피펫

아연판, 납판, 구리판, 은판, 백금선

• 백금선 : 금속 원소의 백금으로 만든 선.

• 아연판 : 금속 원소의 아연으로 만든 판. 녹는점은 692.68k, 끓는 점 1180k. 산화수는 보통 2.

• 납판 : 금속 원소의 납으로 만든 판. 녹는점은 606.61k, 끓는 점은 2022k. 산화수는 4, 2.

• 구리판 : 금속원소의 구리로 만든 판. 녹는점 1357.77k, 끓는점은 2835k. 산화수는 2, 1.

• 은판 : 금속원소의 은으로 만든 판. 녹는점 1234.93k, 끓는점은 2435k. 산화수는 1이다.

황산구리 수용액, 황산아연 수용액, 염산질산납 수용액, 질산은 수용액, 질산칼륨 수용액

• 황산구리(ii) : 화학식량 159.91g/mol, 수용액으로 만들려면 부피 1L에 159.91g 들어간 수용액이어야 한다.

• 황산아연 : 화학식량 287.56g/mol, 수용액으로 만들려면 부피 1L에 287.56g 들어간 수용액이어야한다.

• 질산은 : 화학식량 169.87g/mol, 수용액으로 만들려면 부피 1L에 169.87g 들어간 수용액이어야 한다.

• 질산칼륨 : 화학식량 101.10g/mol, 수용액으로 만들려면 부피 1L에 101.1g 들어간 수용액이어야 한다.

• 염산 : 화학식량 36.5g/mol, 염산은 강산이므로 취급에 주의하여야 한다. 보통은 물에 희석한 묽은염산이 많이 쓰인다.

• 황산납 : 황산납은 납의 황산염으로 흰색, 노란색을 띄고 있는 가루 모양의 결정이다.

한천

• 우뭇가사리의 점장을 동결건조한젤라틴과 비슷한 물성을 가진 투명체.

한천과 염화칼륨을 섞어굳힌 후 염다리로 이용한다.

1M ZnSo4 100ml 제작

간이 표준 수소전극 제작 및반쪽 전지 만들기

전극 전위 측정

DATA&RESULT

각 반쪽 전지의 전극 전위 측정값

전지 Ag Pb Cu Zn

전극 전위(V) +0.80 -0.10 +0.36 -0.70

염산 전기 분해시 나타나는 현상

• (+)극에서는 Cl2 기체가 발생하고,

• (-)극에서는 H2기체가 발생한다.

아연 반쪽 전지를 산화 전극으로 놓고,환원 전극을 다른 반쪽 전지로 바꿔가며 측정한 전위 값

산화전극(-) - (+)환원전극예상

기전력값(V)실험값의기전력값(V)

이론상의기전력값(V)

Pb| PbSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu 0.46 0.46 0.47

Zn | ZnSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu 1.06 1.07 1.10

Zn| ZnSO4(aq) || AgNo3(aq) | Ag 1.50 1.51 1.56

Pb | PbSO4(aq) || AgSO4(aq) | Ag 0.90 0.92 0.93

Cu | CuSO4(aq) || AgNo3(aq) | Ag 0.44 0.44 0.46

Zn | ZnSO4(aq) || PbSO4(aq) | Pb 0.60 0.59 0.63

DISCUSSION

1.0M 염산 수용액을 전기 분해할 때 각 전극에서일어나는 반응

• (-)극에서반응할 수 있는양이온 : 𝐻+

반응할수 있는 양이온이수소이온밖에없으므로

수소기체가발생한다.

• (+)극에서반응할수 있는음이온 : 𝑂2−, 𝐶𝑙−

• 반응할수 있는 음이온 𝑂2−, 𝐶𝑙−중

2𝐻2𝑂 𝑙 → 𝑂2 𝑔 + 4𝐻+ aq + 4𝑒− 표준산화 전위 1.23V

2𝐶𝑙− 𝑎𝑞 → 𝐶𝑙2 𝑔 + 2𝑒− 표준 산화전위 1.36V

염소 이온이표준산화전위가더 크므로염소 기체가생성된다.

금속의 반쪽 전지의 환원 전위를 측정할 때사용하는 반쪽 전지의 역할

• 25도에서 1M의 수소이온수용액에백금 전극을꽂고, 이 백금 전극의둘레에 1기압의수

소 기체를 채워 놓은반쪽 전지이다. 다른 반쪽 전지에연결하여그 반쪽전지의 전위를

측정하는데 사용한다. 표준 수소 전극 전위는 0.00V이므로측정된 전압이구하고자하

는 전극의 표준 전극전위가 된다. 이 표준수소전극을기준으로수소보다 환원이잘되면

표준환원전위의값이 (+)가 되고, 산화가 잘되면표준환원전위의값이 (-)가 된다.

측정한 각 반쪽 전지의 전극 전위와표준 환원 전위 비교

전극반응(반쪽반응) E°(V) 실험값

𝑍𝑛2+ + 2𝑒− → 𝑍𝑛 -0.76 -0.70

𝑃𝑏2+ + 2𝑒− → 𝑃𝑏 -0.13 -0.10

2𝐻+ + 2𝑒− → 𝐻2 0 -

𝐶𝑢2+ + 2𝑒− → 𝐶𝑢 +0.34 +0.36

𝐴𝑔+ + 𝑒− → 𝐴𝑔 +0.80 +0.80

아연판과 구리판에서 일어난 반응

• 아연이 구리보다 이온화 경향이 크므로 산화전극으로서 전자

를 생성하고 아연이온을 내놓는다. 그래서 아연은(-)극이다.

• 구리가 아연보다 이온화 경향이 작으므로 환원전극으로서전

자를 받아들이고 구리이온이 구리가 된다. 고로 구리는(+)이다.

• (-) Zn | ZnSO4(aq) || CuSO4(aq) | Cu (+)

(-극) 반반응 : Zn(s) → Zn2+ + 2e- (산화)

(+극) 반반응 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (환원)

전체반응 : Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

• 아연판의 질량은 감소하고, 구리판의 질량은 증가

큼 이온화경향 작음K-Ca-Na-Mg-Al-Zn-Fe-Ni-Sn-Pb-(H)-Cu-Hg-Ag-Pt-Au

𝐸0환원=-0.76V

𝐸0환원 = +0.34𝑉

𝐸0 = +1.10𝑉

스포이드를 막은 AGAR SALT GEL(염다리)의 역할

• 두 반쪽 전지의전해질 용액이 섞이지 않게 하고, 이온을 이동시켜 전해질

용액에서 양이온과 음이온이전하 균형(중성)을이루게 한다. 전극 반응에

영향을 주지 않는 염화칼륨, 질산칼륨, 황산나트륨 등을 한천용액에 녹인

다음 굳혀서 만든다. (-)극에서는양이온이 생성되므로 염다리 안의 음이

온은 (-)극으로이동한다. (+)극에서는양이온이 소모되므로 염다리 안의

양이온은 (+)극으로이동한다.

실험결과에 대한 고찰

• 도선의저항

• 측정기기의한계

• 처음부터용액을 잘못 만들었을가능성(표준용액의오차)

• 염다리를잘못 끼워 용액이새서 다른 용액과 반응하여염을 생성했을가능성

• 용액의상태가표준상태가아닐수있다.(네른스트식)

∆𝐸 = ∆𝐸° − 2.303𝑅𝑇

𝑛𝐹log𝑄

Q: 실험1에서 백금선에 전류를 흘려주는 이유?

• 백금선을 (-)극에 연결하고전류를 흘려주면수소이온이반응하여수소기체가발생한다.

전극 내부에수소기체를모으는 이유는표준 수소전극과다른 반쪽 전지와연결하여전

위차를측정할 때 수소 기체가 수소이온으로산화되는반응이 있기 때문이다. Cu, Ag와

같은 H보다이온화경향이작은, 즉 환원이잘되는금속의전위를 측정할때수소기체가

산화된다. 따라서수소기체가없으면 전지로서의역할을하지 못하고전위차로 측정하

지 못하기에수소기체를발생시키는것이다.