Name: cell voltage and electron flow
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 2 min 36 s
Channel: JoVE

전자가 배선을 통해 흐르거나 이온들이 용액을 통해 흐르면 전기가 생성됩니다. 이러한 전자, 더 구체적으로 말하면 전하의 흐름을 전류로 정의합니다. 하지만 무엇이 전자를 흐르게 할까요?

구리와 아연 사이의 산화환원 반응을 생각해보세요. 아연 전극이 구리 이온 용액에 들어갈 때 전자는 한 물질에서 다른 물질로 이동합니다. 전자를 더 쉽게 잃을 수 있는 아연은 아연 이온으로 산화되는 반면 구리 이온은 고체 구리로 환원됩니다.

이 반응에서 전자는 아연에서 구리로 흐르지만 이 반응은 전기를 생성하지 않습니다. 이제 아연과 구리가 물리적으로 분리되고 배선과 같은 외부 전도체를 통해 연결된다고 생각해보세요. 반응물이 전자를 얻거나 잃는 경향은 여전히 지속되며 전자가 배선을 통해 흘러 두 반반응을 연결합니다.

이 전자 흐름이 전류를 구성하며 전구와 같은 전기 장치에 전력을 공급할 수 있습니다. 전류는 암페어로 측정됩니다. 1암페어는 초당 1쿨롱의 전기 전하 흐름이며 초당 6.24 10¹⁸개의 전자에 해당합니다.

전류의 흐름은 폭포에서 흘러내리는 물과 유사합니다. 물은 중력 위치 에너지의 차이에 의해 구동되는 반면 전자의 흐름은 반응물들 사이의 전기적 위치 에너지의 차이에 의해 구동됩니다. 전기적 위치 에너지의 이러한 차이는 전위차, 기전력 또는 전지 전위라는 용어로 설명합니다.

전지 전위는 두 반응물 사이의 구동력과 전자 전달 경향의 측정값입니다. 고립된 두 반응물의 전지 전위는 전압계를 사용하여 측정하며, 값은 전지 전압으로 판독됩니다. 1볼트는 전하 1쿨롱당 1줄의 위치 에너지와 상관 관계를 가집니다.

전지 전위가 높으면 구동력이 크고 따라서 전자 전달이 용이합니다. 마지막으로, 전자 전위 또는 기전력은 반응물의 성질, 반응 온도, 반응에 존재하는 이온의 농도에 따라 달라집니다.

기전력

전기는 용액이나 전도 매체를 통해 흐르는 전자나 이온에 의해 생성됩니다. 이러한 전자 흐름, 특히 전하의 흐름은 전류로 정의됩니다. 전자가 전선을 통해 이동할 때 전류가 생성됩니다. 산화환원 반응에서는 전자를 잃고 전자를 얻는다는 사실을 상기할 수 있습니다. 아연과 구리의 자발적인 산화환원 반응에서 아연을 구리 이온 용액에 담그면 한 물질에서 다른 물질로 전자가 이동합니다.

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전자를 잃는 경향이 더 큰 아연은 산화되어 아연 이온으로 되고, 구리 이온은 고체 구리로 환원됩니다. 그러나 이 반응은 전기를 생성하지 않습니다.

전류와 전자의 흐름

전자 전달은 용액의 환원제에서 산화제로 직접 발생합니다. 반쪽 반응의 구성 요소가 별도의 용기에 물리적으로 격리되어 있고 와이어와 같은 외부 도체를 통해 연결되어 있더라도 반응물에 의해 전자를 잃거나 얻는 경향은 여전히 지속됩니다. 그러나 이제 전자는 두 반쪽 반응을 연결하는 와이어를 통해 강제로 흐르게 됩니다. 와이어를 통한 전자 흐름은 전류를 구성하고 전구와 같은 전자 제품에 전력을 공급할 수 있습니다. 전류는 암페어 단위로 측정됩니다. 1암페어는 초당 1쿨롱의 전하 흐름과 동일하며 초당 6.24 × 10^−18 전자와 같습니다.

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전자의 전하량은 1.602 × 10^−19 C이므로 1암페어는 초당 6.242 × 10^18 전자의 흐름과 관련이 있습니다.

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전류, 전위차 및 EMF의 원동력

전류의 흐름은 폭포 아래로 흐르는 물과 유사합니다. 물은 중력 위치 에너지의 차이에 의해 구동되는 반면, 전자의 흐름은 반응물 간의 전기 위치 에너지의 차이에 의해 구동됩니다. 전위 에너지의 이러한 차이는 전위차, 기전력(emf) 또는 셀 전위라는 용어로 설명됩니다. EMF는 두 반응물 사이의 추진력과 전자 이동 경향을 측정한 것입니다.

일부 산화환원 반응은 자발적인 반면 다른 산화환원 반응은 그렇지 않습니다. 예를 들어, 구리선은 은(I) 이온에 의해 자연 산화되지만 납(II) 이온 용액에 담그면 아무런 반응도 일어나지 않습니다. 이는 구리에 대한 두 종, Ag^+(aq) 및 Pb^2+(aq)의 산화환원 활성 차이에 기인합니다. 은 이온은 자발적으로 구리를 산화하지만 납 이온은 그렇지 않습니다. 전기화학에서 산화환원 반응성의 차이는 '세포 전위'라는 용어를 사용하여 정량화할 수 있습니다. 일반적으로 '전압'이라고도 합니다.

두 개의 분리된 반응물의 전지 전위는 전압계로 측정되며, 이를 전지 전압으로 읽습니다. 1볼트는 전하 1쿨롱당 위치 에너지 1줄과 관련이 있습니다.

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높은 셀 전위는 큰 추진력과 전자 전달의 용이성을 나타냅니다. 마지막으로, 기전력 또는 전지 전위는 반응물의 성질, 반응 온도 및 반응에 존재하는 이온 농도에 따라 달라집니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 <a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-3-electrode-and-cell-potentials">OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.3: Electrode and Cell Potentials</a>.

전기는 용액 또는 전도성 매체를 통해 흐르는 전자 또는 이온에 의해 생성됩니다. 이러한 전자 또는 특히 전기의 흐름 ...

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주요 용어 및 개념

Electromotive Force

cell voltage and electron flow

Electric current is the flow of electric charge through a conducting medium or a solution. In wires, that charge is carried by electrons. In some solutions, ions can also move and carry charge. When electrons move through a wire, they produce an electric current.

This idea connects to redox reactions, where electrons are lost and gained. In the spontaneous reaction between zinc and copper ions, zinc is oxidized to zinc ions. Copper ions are reduced to solid copper. Even so, this direct reaction does not generate useful electricity.

Electricity is produced when the half-reactions are separated into different vessels and linked by an external wire. The tendency for electrons to move from the reducing agent to the oxidizing agent still remains. But now the electrons must travel through the wire instead of moving directly in solution. That forced movement is an electric current, and it can power devices such as a light bulb.

Electric current is measured in amperes. One ampere means one coulomb of charge moves each second. That is equal to about 6.24 × 10^18 electrons per second. Since one electron has a charge of 1.602 × 10^-19 C, the ampere gives a direct measure of electron flow.

The flow of current depends on a driving force, much like water flowing down a waterfall. Water moves because of a difference in gravitational potential energy. Electrons move because of a difference in electrical potential energy between the reactants. This difference is called potential difference, electromotive force, or cell potential.

Electromotive force, or emf, describes the driving force between two reactants and their tendency to transfer electrons. Some redox reactions are spontaneous, but others are not. For example, copper wire is oxidized spontaneously by silver(I) ions, but it does not react with lead(II) ions. That difference shows that silver ions and lead ions do not have the same redox reactivity toward copper.

Cell potential is another name for this redox driving force, and voltage is a common word for it. A voltmeter is used to measure the cell potential of two isolated reactants. The reading is given in volts. One volt equals one joule of potential energy per coulomb of charge. A high cell potential means a strong driving force and easier electron transfer. The electromotive force also depends on the nature of the reactants, the temperature, and the concentration of ions in the reaction.

Cell Voltage and Electron Flow

balancing redox equations

Redox Reactions and Half-Reaction Balancing

Redox reactions involve electron transfer and changes in oxidation number. In electrochemistry, these reactions connect chemical changes with electrical energy. They also power technologies such as industrial metal processing and rechargeable batteries used in electric vehicles. Oxidation number is a way to track how an atom's electronic environment changes compared with the pure element, where the oxidation number is zero. For a simple ionic compound, the oxidation number matches the ion...

electromotive force

Electric current is the flow of electric charge through a conducting medium or a solution. In wires, that charge is carried by electrons. In some solutions, ions can also move and carry charge. When electrons move through a wire, they produce an electric current. This idea connects to redox reactions, where electrons are lost and gained. In the spontaneous reaction between zinc and copper ions, zinc is oxidized to zinc ions. Copper ions are reduced to solid copper. Even so, this direct...

voltaic/galvanic cells

Galvanic Cells and Battery Reactions

Galvanic cells use spontaneous redox reactions to produce electric current. A common example is a disposable AA battery, which powers devices by turning chemical energy into electrical energy. Another example is a copper wire placed in silver nitrate solution, where the solution slowly turns bright blue and a grey solid forms on the wire. In the copper and silver reaction, copper is oxidized and silver ions are reduced. Copper forms cuprous ions, which give the solution its blue color. At the...

standard electrode potentials

Using Electrode Potentials to Predict Reactions

Electrode potentials help predict whether a redox reaction will happen on its own. A redox reaction involves electron transfer. In electrochemistry, the measured value is called cell potential or cell voltage. It shows the energy linked to charge transfer and is measured in volts, where 1 volt equals 1 joule per coulomb. A single half-cell cannot be measured by itself because electron transfer needs both a donor and a receiver. For that reason, scientists measure the difference between two...

cell potential and free energy

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

Redox cell potential connects chemical energy, free energy change, and the equilibrium constant in an electrochemical cell. In these reactions, chemical energy is converted into electrical energy. That link helps predict whether a reaction is spontaneous and how far it may proceed. Thermodynamics is the study of how heat and other forms of energy are related. In an electrochemical cell, cell potential can also reflect oxidizing strength or reducing strength. A similar idea appears in acid-base...

the nernst equation

Cell Potential Under Changing Conditions

Cell potential changes when a redox reaction does not run at standard conditions. Standard cell potentials connect with standard free energy change, ΔG°, and the equilibrium constant K, but those relationships only hold at 1 M concentration, 298 K, and 1 atmosphere. A zinc(II) and tin(II) redox cell with E°cell = +0.291 V and ΔG° = −56.2 kJ is spontaneous under those standard conditions. As a cell discharges, the reactant concentration changes and the cell potential steadily drops. Many redox...

concentration cells

Cell Potential from Concentration Differences

Concentration cells are voltaic cells that use two almost identical half-cells. The half-cells use the same electrode and the same half-reaction. They differ only in the concentration of one redox species, so the cell potential depends on that concentration difference. In a concentration cell, the Nernst equation can be used to find the cell potential. For the zinc example shown, the calculated cell potential is positive. A positive cell potential means the overall reaction is spontaneous. <br...

batteries and fuel cells

Primary, Rechargeable Batteries and Fuel Cells

Batteries and fuel cells are galvanic cells that supply electrical power for many applications. They range from tiny button batteries in wristwatches to large systems that can provide backup energy to municipal power grids. Some are primary cells, which are single-use and cannot be recharged. Others are secondary cells, which use reversible reactions and can be charged again by an external power source. A common primary battery is the dry cell. It uses zinc as both the container and the anode,...

corrosion

Rusting and Metal Protection

Corrosion is the natural breakdown of metals through electrochemical reactions. It can appear as rust on iron, tarnish on silver, or a blue-green patina on copper. In each case, the metal is oxidized. Some corrosion products can protect the surface, while others keep damaging the metal. Rusting is the harmful type of corrosion seen in iron. It happens when iron is exposed to oxygen and water. A galvanic cell forms on the iron surface, and this drives oxidation at the anodic region and...

electrolysis

Electrolysis in Batteries and Metal Production

Electrolysis uses electrical energy to drive a nonspontaneous redox reaction. In a galvanic cell, a spontaneous redox reaction does electrical work on the surroundings by sending electrons through an external circuit. In electrolysis, an external circuit does work on the redox system by applying a voltage large enough to force the reaction in the opposite direction. This process is used in several real-world settings. Recharging a battery is one example, because an outside power source drives...

key terms and concepts

Explore how redox reactions create electric current, what cell potential means, and how voltage and emf measure the driving force for electron flow.

Cell Voltage and Electron Flow | JoVE K12

chemistry

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Cell Voltage and Electron Flow

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