[일반화학] 『전기화학(전지, 기전력, 패러데이 법칙 등)』에 대하여

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[일반화학] 『전기화학(전지, 기전력, 패러데이 법칙 등)』에 대하여에 대한 보고서 자료입니다.

목차

I. 전지
II. 표준환원전위
III. 전지의 기전력계산
IV. 전지전위, 전기적 일 및 자유에너지
V. 기전력과 평형상수의 관계
VI. 전지 전위의 농도 의존성
VII. 패러데이법칙

본문내용

= △G°값
전지의 기전력으로부터 평형상수를 구하기 위하여
△G°= -nFE°와 △G°= -RTlnK를 결합하면
nFE°= RTlnK
E°= lnK = logK
이식에 25℃에서의 R 과 F 값을 대입하여 정리하면
E°= logK ( K, △G°, E°사이의 관계)
풀이)
R =8.31 J/molK
F =9.65 x 104 C/mol
E°= logK
1.10 J/C = logK
logK = 37.2
K= 2 x 1037
이 평형상수값을 볼 때 Zn/Cu 전지반응은 거의 완전하게 일어난다
VI. 전지 전위의 농도 의존성
지금까지는 표준상태에 있는 전지에 대해서만 이야기했음
전지전위가 농도에 따라 어떻게 달라지는 가를 봄
Cu(s) + 2Ce4+(aq) → Cu2+ + 2Ce3+(aq) E °=1.36V
만약 Ce4+가 1M 보다 크다면 전지전위는 어떻게 되나?
Ce4+ 농도를 증가시키면 정반응이 유리하게 되게(르샤르틀리의 원리) 이것은 전자에 대한
추진력을 증가시키게 된다
농도차 전지 : 서로 다른 농도의 같은 화합물이 두 칸에 녹아 있는 전지
농도가 다르다는 것이 전지 전위를 만드는 유일한 이유
전압은 크지 않다
Nernst 식 : 전지전위와 전지 내 성분 농도 사이의 관계식
전지전위가 농도에 따라 달라지는 것은 자유 에너지가 농도에 따라 달라지는 것에 직접 기인한다.
△G = △G°+ RTln(Q)
△G = -nFE, △G°= -nFE°이므로 위 식은
-nFE = -nFE°+ RTln(Q)
양변을 -nF로 나누면
E = E°ln(Q) (전지 전위와 전지 내 성분 농도 사이의 관계)
E = E° log(Q) (25℃ 일 경우)
비표준상태의 전극전위
이온의 농도가 1M이 아닌 비표준상태에서 전극전위를 Nernst 식으로 계산할 수 있다.
풀이)
①균형방정식을 만들기
2 X a - b
2VO2+ + 4H+ + 2e- → 2VO2+ + 2H2O E°=1.00V
Zn → Zn2+ + 2e- E°= +0.76V
2VO2+ + 4H+ + Zn → 2VO2+ + Zn2+ + 2H2O E°= 1.76V(균형방정식)
② E = E°- logQ (25℃이므로)
= 1.76 - log
= 1.76 + 0.13 = 1.89
풀이)
수소전극의 표준전극전위는 0 이므로 전지의 기전력은 다음과 같이 구할 수 있다.
PtH2(1atm)H+(1M)∥Zn2+(0.100M)Zn(s)
전체반응식 Zn2+(aq) + H2(g) Zn(s) + 2H+(aq)
n = 2(이동된 전자의 수), Q = = =
E = E°log10 = -0.76 - = -0.79V
VII. 패러데이법칙
전기분해과정 : 전지를 통하여 전류가 흐르게 함으로써 전지전위가 음인 화학 반응이 일어나도록 한다.
예)밧데리를 충전하는 것, 알루미늄을 생산하는 것, 매체에 크롬을 입히는 것
전기 분해 과정에 대한 화학량론
주어진 양의 전류가 일정시간 동안 흐를 때 화학반응이 얼마나 일어나는가?
10.0A의 전류를 Cu2+ 용액을 통하여 30분간 흘릴 때 도금되는 구리의 질량을 계산하고 싶다.
도금한다는 것은 용액중의 금속이온을 환원시켜 전극표면에 중성금속을 석출시키는 것을 의미
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
위 화학량론 문제를 풀기 위해서는 다음의 단계들이 필요하다
①단계 1(전류와 시간, 전하의 양, 쿨롱 단위)
1 A = 1C / s 이므로
전하의 쿨롱 수 = 암페아 수 x 초 수 = (10 ) x (30 x 60 s) = 1.80 x 104 C
②단계 2 (전자 몰 수)
1mol의 전자는 1F(96,486C)의 전하를 운반
1.80 x 104 C 의 전하를 운반하는데 필요한 전자의 몰 수는
(1.80 x 104 C) x = 1.87 x 10-1mol
③단계 3(구리 몰 수)
전자 2mol이 있어야 구리 1mol이 석출되므로
(1.87 x 10-1mol) x = 9.35 x 10-2 mol Cu
④단계 4(구리 그램 수)
(9.35 x 10-2 mol Cu) x = 5.94 g Cu
페러데이 제1법칙
전기분해할 때 전극에서 석출되는 물질의 양은 흐른 전기량에 비례한다
Q =
Q : 전기량(C) i : 전류(amp, A) t : 시간(sec)
페러데이 제2법칙
일정한 전기량으로 전해되어 나오는 물질의 양은 각물질의 당량에 비례한다
1 F = 1 당량 석출(1F = 96,500C, 96500 )
cf) 1g 당량 = 원자량/원자가 혹은 수소 1g (산소 8g)과 화합또는 치환되는 양
풀이)
구리 1몰을 얻기 위해서는 전자 2몰이 필요하다.
0.404g은 몰,
이만큼의 구리를 얻기위해서는 () x 2 몰의 전자가 필요
Q = nF 이므로 Q = () x 2 x 96500 = 1.23 x 103C
Q = I x t,
1.23 x 103 C = I x (5 x 60 x 60sec), I = 6.83 x 10-2A
풀이)
① 단계 1
Q = I x t = (8.5 x 10-3 A) x (600s) = 5.1 C
② 단계2.
1몰의 전자는 1F의 전하를 운반하기 때문에 5.1C의 전하를 운반하는데 필요한 전자의 몰수를 계산 하면, 몰의 전자가 필요
③ 단계3.
I2이 되기 위해서는 I-이온에 두 개의 전자가 필요하다.
따라서 전자 1몰당 I2 몰이 생성된다. ( mol I2)
④ 단계4
I2의 몰수를 알기 때문에 생성된 I2의 질량계산가능
( mol I2) x (254 ) = 6.7 x 10-3 g 석출
풀이)
Cu 1 몰은 2F 전기량을 주었을 때 생성된다. 따라서 0.1F 전기량으로 전기분해시키면 0.05 몰이 석출
된다. 따라서 3 x 1022 수 만큼 생김
풀이)
페러데이의 제2법칙은 1F 전기량을 흘려주었을 때 전해되어 나오는 물질의 양은 각물질의 당량에
비례한다 이다. 즉 1F = 1당량
= 0.025F
0.025 F : 2.416 g = 1 F : x g.
x를 계산하면, x = 96.64 g
풀이)
1)△G°= -nFE°, -318200 = -2 96500x , x =1.65V
2) E = E° log(Q) (25℃ 일 경우)
E = E°-
E = 1.65V - 0.009V =1.641V

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전기화학,   전지,   기전력,   패러데이,   표준환원전위,   전지전위,   농도의존성,   자유에너지