[화학및 실험2] 9주차 예비보고서, 화학전지의 제작과 전위차 측정

[실험 제목]
화학 전지의 제작과 전위차 측정

 

[실험 목적]
자발적으로 일어나는 전자 이동 반응을 이용하여 전기 에너지를 얻는 화학 전지 반응의 원리를 익히고 화학 전지를 제작하여 전위차를 측정한다.

 

[실험 이론]
다음 실험 이론을 조사하시오.

1. 화학전지에 대해 설명하시오.

화학 전지(electrochemical cell)는 화학 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키거나 전기 에너지를 사용하여 화학 반응을 일으키는 장치이다. 전류를 발생시키는 화학 전지는 갈바니 전지라고 하며 이를테면 전기 분해를 통해 화학 반응을 일으키는 전지는 전해 전지라고 부른다. 널리 사용되는 갈바니 전지는 표준 1.5 볼트이다.

갈바니 전지(볼타 전지)
자발적인 산화-환원 반응을 이용하여 전기를 발생시키는 실험장치를 갈바니 전지(Galvanic cell) 또는 볼타 전지(voltanic cell)라 부른다. 이 이름은 갈바니(Luigi Galavani)와 볼타(Alessandro Volta)가 처음 조립하여 붙여졌다고 한다. 전지구성에서 아연 금속 막대는 ZnSO4 용액에 담겨 있고, 구리 막대는 CuSO4 용액에 담겨 있다. 각 용기에서 아연은 Zn2+으로 산화되고, Cu2+는 Cu로 환원되는 자발적인 반응이 일어남에 따라 외부 도선을 통해 전자가 이동하는 원리에 의해 전지가 작동한다. 여기에서 아연 막대와 구리 막대를 전극(electrode)이라 부른다. 아연과 구리 전극 그리고 ZnSO4, CuSO4으로 이루어진 전지를 다니엘(Daniell)전지라 한다. 이 때, 산화가 일어나는 전극을 산화전극 또는 음극(anode), 환원이 일어나는 전극을 환원전극 또는 양극(cathode)이라고 한다.

출처: 위키백과 검색어 <화학 전지>

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%99%94%ED%95%99_%EC%A0%84%EC%A7%80

화학 전지 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

2. Nernst 식에 대해 설명하시오.

비표준 상태에서의 전지 전위(네른스트 식)

볼타 전지를 사용하게 되면 전류가 흐르게 되고 이 과정에서 반응물의 농도는 감소하고 생성물의 농도는 증가한다. 볼타 전지를 계속해서 사용하면 전지 전위는 점차 감소하고 궁극적으로 E = 0이 된다. 우리는 이때 전지를 다 사용했다고 말한다. 이렇듯 전지 전위값은 반응물과 생성물의 농도에 따라 변화하는데 농도에 따른 전지 전위의 변화 값에 관한 관계식을 네른스트가 유도하였다.
농도에 따른 전지 전위의 변화는 자유 에너지와 농도의 관계식으로부터 유도할 수 있다.
ΔG = ΔGo + RT ln Q
여기서 Q는 반응 지수로, 평형 상태가 아닐 때의 농도로 나타내지만 평형 상수와 같은 모양을 가진다.
ΔG = -nFE 식과 ΔGo = -nFEo 식을 대입하면 다음과 같다.
-nFE = -nFEo + RT ln Q
이 식을 E에 대해 풀면 아래와 같은 네른스트 식(Nernst equation)이 된다.
E = Eo - (RT/nF) ln Q
이 식에서 자연 로그를 상용 로그로 변경하면,
E = Eo - (2.303 RT/nF) log Q
298K에서는 2.303 RT/nF 값이 0.0592가 되므로 네른스트 식은 아래와 같이 간단히 정리할 수 있다.
E = Eo - (0.0592 V/n) log Q (T = 298 K)
위 식을 이용하면 비표준 상태에서 전지의 전지 전위를 얻을 수 있으며, 반대로 전지의 전위값을 측정하면 화학 전지 내 화학종의 농도를 알아낼 수 있다.

네른스트 식은 무엇보다도 화학 반응의 자발성을 분석하는 데 있어서 중요한 깁스 에너지 변화를 엔탈피 효과와 엔트로피 효과를 따로 고려할 필요 없이 실험적으로 직접 측정할 수 있게 해준다는 면에서 매우 유용하다. 열역학 3 법칙이 발전하는 과정에서 저온에서 calorimetry 방법으로 엔탈피 변화를 측정하고, 네른스트 식을 사용하여 전기화학적 방법으로 깁스 에너지 변화를 측정하였는데 많은 반응에서 온도가 낮아질수록 두 값의 차이가 같은 값으로 수렴하는 것이 밝혀졌다. 이러한 관찰로부터 절대 0도의 개념이 자리 잡았고, 네른스트는 열역학 3 법칙을 확립한 과학자가 되었다.

출처: [네이버 지식백과] 네른스트 식 [Nernst equation] (화학백과)

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5663157&cid=62802&categoryId=62802

네른스트 식

 

3. 표준 전극 전위와 전지 전위를 계산하는 방법에 대해 설명하시오.

전극 전위

화학 전지 내에서 산화·환원 반응이 일어나면서 전자의 이동으로 인해 생기게 되는 두 전극 사이의 전위차를 전지 전위(electrode potential)라고 한다. 전지의 전지 전위는 두 개의 반쪽 전지를 도선으로 연결했을 때 일어나는 전자의 이동으로 인해 생기기 때문에 반쪽 전지만으로는 측정할 수 없다. 따라서 표준 수소 전극을 기준으로 표준 수소 전극과 다른 반쪽 전지로 이루어진 전지의 전지 전위를 측정하여 각 반쪽 전지 전위의 상대적인 크기를 정하게 된다. 이를 그 반쪽 전지의 전극 전위라고 한다.

표준 전극 전위
백금 전극을 사용하여 1M의 H+용액과 접촉하고 있는 1기압의 H2기체로 이루어진 반쪽 전지가 나타내는 전위를 0.00V로 정하는데, 이것을 표준 수소 전극이라고 한다.
2H+(aq)+2e− → H2(g)
반쪽 전지의 전극 전위는 전극을 이루는 물질들의 상대적인 이온화 경향과 전해질의 농도에 따라 달라진다. 따라서 25°C, 1기압에서 반쪽 전지의 수용액의 농도가 1M일 때, 표준 수소 전극을 (-)극으로 하여 얻은 반쪽 전지의 전위를 표준 전극 전위(standard electrode potential)라고 한다.
표준 환원 전위
반쪽 반응이 환원 반응일 때의 표준 전극 전위를 표준 환원 전위(standard reduction potential)라고 하며, E°로 나타낸다. 일반적으로 전극 전위는 표준 환원 전위 값으로 주어지며 표준 환원 전위 값이(+)이면 수소보다 환원되기 쉽고, (-)이면 수소보다 환원되기 어렵다는 것을 의미한다. 반쪽 반응이 산화 반응일 때의 표준 전극 전위를 표준 산화 전위(standard oxidation potential)라고 하며, 표준 산화 전위는 표준 환원 전위와 크기는 같지만 부호가 반대이다.

표준 전지 전위의 계산
두 반쪽 전지의 전극 전위 값의 차는 전지 전위에 해당한다. 따라서 전지를 구성하는 두 반쪽 전지의 표준 전극 전위 값알면 다음과 같이 표준 전지 전위를 계산할 수 있다.

표준 전지 전위
(E∘) = (+)극의 표준 환원 전위 - (-)극의 표준 환원 전위 = (+)극의 표준 환원 전위 + (-)극의 표준 산화 전위
표준 전지 전위
(E∘)와 △G∘ 의 비교
△G∘ = -nFE∘
E∘>0 이어서 △G∘ < 0 인 경우에는 반응이 자발적으로 일어난다.
E∘<0 이어서 △G∘ > 0 인 경우에는 반응이 자발적으로 일어나지 않는다.(역반응이 자발적으로 일어난다.)

4. 다니엘 전지에 대해 설명하시오.

다니엘 전지

1836년 영국의 화학자 다니엘(Daniell)은 볼타 전지에서 수소 기체가 발생하여 전압이 떨어지는 분극 현상을 방지하기 위해 다니엘 전지를 고안하였다.다니엘 전지는 두 개의 반쪽 전지로 이루어져 있으며, 황산아연 수용액에 아연 전극을, 황산구리(II) 수용액에 구리 전극을 넣고 염다리로 연결한 전지이다. 다니엘 전지에서, 전극에서 일어나는 산화와 환원 반응인 반쪽 전지반응은 이와 같다.

Zn 전극(산화전극, anode) :
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-
Cu 전극(환원전극, cathode) :
Cu2+(aq) + 2e− → Cu(s)

염다리
염다리(salt bridge)는 양이온과 음이온이 한 전극의 칸막이에서 다른 전극의 칸막이로 이동할 수 있게 해주는 전도 매질 역할을 한다. 염다리는 반쪽 전지의 전극 반응에 영향을 주지 않는 염화칼륨(KCl), 황산나트륨(Na2SO4), 질산칼륨(KNO3) 등의 염으로 포화된 한천 수용액을 U자관에 넣어 만들며, 두 전해질이 섞이지 않게 하고, 양쪽 반쪽 전지의 전하가 중성이 되도록 해 주는 역할을 한다.

전체 산화·환원 반응 과정에서 전자들은 외부 도선을 통하여 산화전극으로부터 환원전극으로 흐른다. 용액 속에서 음이온이 산화전극으로 이동하는 동안 양이온은 환원전극으로 이동한다. 그러나 두 용액 사이에 염다리를 연결하지 않으면, 산화전극 부근에서는 Zn2+이온의 생성으로 양전하가 쌓이고 환원전극 부근에서는 Cu2+이온이 Cu로 환원돼서 음전하가 쌓여 전지의 작동이 정지될 수 있다.

출처 : 위키백과 검색어 <화학 전지>

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%99%94%ED%95%99_%EC%A0%84%EC%A7%80

화학 전지 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

5. [기구와 시약] 위 시약들의 물리적, 화학적 특성과 그 위험성에 대해 조사하시오. (원자량, 녹는점, 끓는점 포함)

Cu(NO3)2 질산구리(II)

CAS No. :3251-23-8
물질성상 :고체
끓는점: ~
분자량 : 187.56
녹는점: 255~ 256°
인화점 :자료없음
주요용도 : 약제, 화학물질 분석, 가벼운 감광지를 만드는 데에 쓰이며 살충제로서 쓰임.
유해위험문구
화재를 강렬하게 함:산화제
삼키면 유해함
피부에 심한 화상과 눈에 손상을 일으킴
눈에 심한 손상을 일으킴 수생생물에 매우 유독함
장기적인 영향에 의해 수생생물에게 매우 유독함

Zn(NO3)2 질산아연
CAS No. :7779-88-6
물질성상 : 결정형 고체
끓는점: 자료없음
분자량 :189.398
녹는점 : 38.84 °C
유해위험문구
화재를 강렬하게 함:산화제
삼키면 유해함
피부에 자극을 일으킴 눈에 심한 손상을 일으킴 호흡기 자극을 일으킬 수 있음
수생생물에 매우 유독함
장기적인 영향에 의해 수생생물에게 유독함

질산 아연 헥사수화물(ZINC NITRATE HEXAHYDRATE)
Zn(NO3)2 · 6H2O
CAS No.:10196-18-6
분자량 : 297.49
녹는점 : 약 36°C
유해위험문구
화재를 강렬하게 함:산화제
삼키면 유해함

출처 MSDS 물질검색 <질산구리(II)> <질산 아연><질산 아연 헥사수화물(ZINC NITRATE HEXAHYDRATE)>

 

https://msds.kosha.or.kr/MSDSInfo/kcic/msdssearchMsds.do

안전보건공단 화학물질정보 | MSDS검색

 

6. [실험 방법]실험의 간략한 과정은 다음과 같다.

이때 Zn(NO3)2 용액 0.5M, Cu(NO3)2 용액 0.05M으로 실험을 진행한다고 가정하였을때, 전지의 이론적인 전위(V)를 계산 하시오. 이때 계산은 소수점 아래 둘째자리까지 하시오. (답안 예시 : 5.09)

 

실험의 간략한 과정은 다음과 같다.

1) 구리와 아연판을 측정 전에 사포로 문질러 광택이 나도록 한 뒤, 증류수로 표면을 세척한다.
2) 후드에 있는 Zn(NO3)2 1 M 과 Cu(NO3)2 1 M 용액을 사용하여, Zn(NO3)2 0.1 M 용액과 Cu(NO3)2 0.1 M 용액을 각각 100 mL씩 제조한다.
3) Cu(NO3)2 0.1 M 용액을 사용하여, Cu(NO3)2 0.01 M, 0.001 M 용액을 각각 100 mL씩 제조한다.
4) Zn(NO3)2 0.1 M 용액과 Cu(NO3)2 0.001 M 용액을 각각 3

0 mL씩 100 mL 비커에 넣는다.
5) 아래의 그림과 같이 장치한다.

 

6) 전압계의 전원을 켜고 전압계의 빨간색 클립은 구리판에, 검은색 클립은 아연판에 연결한다.
7) 아연판은 Zn(NO3)2 용액에, 구리는 Cu(NO3)2 용액에 약 1 cm씩 담근 후 전압을 측정한다.
8) 4)~7)의 과정을 Cu(NO3)2 용액의 농도를 0.01M, 0.1M 높여가며 반복한다. (Zn(NO3)2 용액의 농도는 변함없이 0.1 M 로 고정한다).

6-A.

1.07