전기의 화학적 변화 및 화합물의 전기적 변화

목차

목 차
Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 본 론 1
1. Faraday 법칙 1
2. 산화와 환원 2
1) 갈바니 전지 2
2) 전지의 표기법 3
2. 표준 전극전위 4
3. 전지의 열역학 5
1) Nernst 식 5
2) Nernst 전위 5
3) 전지 기전력의 온도 계수 6
4. 산화-환원 반응의 자발성 7
5. 평형 상수와 기전력 8
6. 전지전위의 농도 영향 8
1) Nernst 식의 응용 8
2) pH의 결정 9
3) 유리전극 9
4) 전위차 적정 9
7. 전지반응 10
1) 건전지 11
2) 축전지 11
3) 수은전지 12
4) 연료 전지 12
5) 부식 14
8. 전기분해 14
1) 물의 전기분해 15
2) Na2SO4 수용액의 전기분해 16
3) 알루미늄의 전기제련 16
4) 구리의 정련 16
Ⅲ. 결 론 17
Ⅳ. 느낀 점 및 감사의 글 18
Ⅴ. 참고 문헌 18

본문내용

H2가 생성할 것으로 기대된다. 따라서 이 전지에서 물은 산화와 환원을 한다.
양극 : 2H2O(l) ---> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-
음극 : 4H2O(l) + 4e- ---> 2H2(g) + 4OH-(aq)

전체 : 6H2O(l) ----> O2(g) + 2H2(g) + 4OH-(aq) + 4H+(aq)
전기분해 중에 H+이온은 양극에서, OH-이온은 음극에서 생긴다. 따라서 양극 부근에 있는 용액은 산성을 띄고 음극 부근에 있는 용액은 염기성을 띈다. 이런 현상은 전기분해를 수행하면서 산-염기 지시약을 넣어 확인할 수 있다, 또한 이 용액을 저어 주면 H+와 OH- 이온이 반응하여 물이 되어 용액은 다시 중성이 된다. 반응은
4OH- + 4H+ ---> 4H2O
따라서 Na2SO4 수용액의 전기분해는 단지 H2O의 전기분해인 것이다.
2H2O(l) ---> O2(g) + 2H2(g)
물을 전기분해하기 위해서는 이와 유사한 어떤 다른 염이 필요하다는 것을 실험으로 확인할 수 있다. 물의 전기분해에서 Na2SO4 수용액은 전기적으로 중성이어야 한다. H2O가 산화하는 동안 양극 주이에 H+ 이온이 생성되고 생성된 양전하를 중화시키기 위해서 음이온이 그 영역에 존재해야 하는데 SO42-이온이 H+이온의 전하를 중화시킨다. 마찬가지로 음극에서는 OH-이온이 생성되는데 OH-이온의 전하를 중화시키기 위해서 양이온(Na+)이 존재하며 그 결과 용액은 전기적으로 중성이 유지된다.
3) 알루미늄의 전기제련
산화 알루미늄(Al2O3)'알루미나'라고도 환원되기 어렵기 때문에 순수한 알루미늄을 만들기가 어렵다. 또 전기분해를 하려면 용융 액을 만들어야 하는데 알루미나의 녹는점이 2000C 정도이다 산화 알루미늄과 빙정석(Na3AlF6)의 혼합물은 녹는점이 800C 정도로 낮아진다. 산화 알루미늄과 빙정석의 혼합물을 녹여 얻은 용융 액을 그림과 같이 두 극판을 흑연으로 한 전해조에서 전기분해하면 (-)극에서 알루미늄이 석출된다.
4) 구리의 정련
불순물이 많은 구리를 (+)극으로 하고, 순수한 구리판을 (-)극으로 하여 황산구리 수용액에 담근다. 그 다음 알맞은 전압을 걸어주면 (+)극의 불순물이 많은 구리는 이온화되고, (-)극의 구리판은 순수한 구리들이 달라붙어 커지게 되어 불순물이 낳은 구리로부터 순수한 구리들을 얻을 수 있게 된다.
Ⅲ. 결 론
산화와 환원을 전자의 주고받음, 산소의 주고받음, 혹은 수소의 주고받음 등 3가지 방식으로 설명하는 경우가 많은데, 근본적으로는 산화/환원반응은 전자의 이동 반응이므로, 어느 물질이 전자를 잃는 것을 산화, 전자를 얻은 것을 환원이라 한다.
전위는 화학반응의 성질과 온도 및 반응물의 농도에 따라 달라진다. 전위는 전지에 있는 전해질의 부피 또는 전극의 크기에는 관계없다. 전극전위(standard hydrogen electrode, SHE)을 기준으로 택하여 다른 모든 반쪽 전지의 전위를 표준 수소전극과 상대적으로 측정하며 이때의 전위를 표준 전극전위라 한다. 표준 수소 전극은 25℃에서 1M의 수소이온 속에 비활성 백금전극을 넣고 1기압의 수소기체로 된 반쪽 전지로, 이 전지의 기전력을 E0=0.0000V로 정했다.
전지가 E° 값을 가지는 경우는 전지에 존재하는 모든 화학종의 농도가 1m인 경우이다. 이에 해당하는 표준 Gibbs 에너지는 ΔG°로 적는다. 이런 제한된 조건에서 벗어나 농도가 1이 아닌 일반적인 경우에는 Nernst식을 사용한다.
가역적 전지의 표준 기전력에서 Gibbs 에너지를 계산할 수 있으므로, 여러 온도에서 기전력을 측정하면 ΔS와 ΔH를 구할 수 있다.
표준 상태에서 반응물과 생성물의 반응은
표준전위를 알면 전지반응의 평형상수를 구할수 있다.
단일 전극의 기전력을 측정하는 것은 불가능하다. 약속에 의해서, 표준 수소 전극을 전지의 왼쪽 전극으로 사용한다. 다른 표준 전극은 오른쪽 전극이고, 이 경우의 표준 전극 전위가 오른쪽 전극의 전위에 해당한다. 이러한 표준 전극 전위는 화학반응의 방향을 예측하는데 아주 유용하다. Gibbs 에너지 변화와 갈바니 저지의 기전력 사이의 관계로부터 평형 상수를 구할 수 있다. Nernst 식은 전지의 기전력과 전지에 있는 용액의 활동도를 관련시킨 식이다. Nernst 전위는 두 용액의 막을 중심으로 양쪽에 있을 때의 전위차를 의미한다.
E의 측정에 기반을 둔 적정을 전위차 적정이라 한다. 전위차 적정은 (1) 반응물 중 하나의 농도가 당량점에서 매우 빠르게 변하는 경우 (2) 전극의 전위가 반응물의 농도에 의존하는 경우 등 어떤 상황에도 사용할 수 있다.
기전력 측정에 의한 실질적인 응용분야로는 pH, 활동도 계수, 평형 상수, 용해도곱, 운반율 등의 측정이 있다. 전극 반응에서 반응 속도의 연구로부터 많은 정보를 얻을 수 있다. 특히 과전압 현상과 관련된 분야가 중요하다.
전기를 방출할 수 있는 화학 에너지를 저장한 장치를 전지라 한다.1차 전지는 화학 에너지가 전기 에너지로 비가역 과정으로 전환된다. 이것은 전지의 작동을 역방향으로 진행시키기 위해 전극에 전압을 걸어도 원래의 전지가 회복되지 않는 것을 뜻한다.
전류에 의해 화학반응이 일어나게 하는 것을 전기분해(electrolysis)라고 한다. 전기분해 장치는 전해질 속에 두개의 전극을 넣고 직류전원에 연결하면 만들 수 있다. 전류는 직류전원에서 전자가 도선을 통하여 흐른다. 전력의 생산에 전기화학 전지가 유용하게 응용된다. 예를 들어, 연료 전지는 반응물을 연속적으로 반응시켜서 전기를 생산한다. 광화학 전지는 전류를 생산하는 화학반응을 빛으로 유도하는 전기화학 전지이다.
Ⅳ. 느낀 점 및 감사의 글
전기화학에 대한 레포트를 하면서 그 반응으로부터 Gibbs 에너지 변화와 평형 상수를 계산한다는 점에 새삼 놀랐고 기전력에 대한 의미를 이해하게 되면서 그 많은 쓰임과 의미에 대해 또다시 놀라게 되었습니다. 전기화학의 깊은 의미를 알게 해주신 김정성 교수님께 감사의 말을 남기며 이 레포트를 마무리하겠습니다.
Ⅴ. 참고 문헌
물리화학Laider/Meiser자유아카데미
물리화학P.W.Atkins청문각

키워드

전기 화학,   전지,   물리화학