갈바닉 셀

전기화학

전기화학은 전기 에너지와 화학적 변화 사이의 관계를 연구하는 화학의 한 분야입니다. 이러한 화학 반응은 한 종에서 다른 종으로 전자의 이동을 포함합니다. 이 움직임은 전류를 생성하거나 적용된 전류에 의해 구동됩니다.

전기화학의 핵심 반응은 산화 환원 또는 산화 환원 반응입니다. 산화 환원 반응은 두 개의 반쪽 반응으로 구성됩니다. 물질이 전자를 잃는 산화 반응과 물질이 전자를 얻는 환원 반응. 이 화학 반응으로 인해 각 물질이 산화 상태가 변합니다.

전자를 잃거나 산화되는 원자 또는 분자가 환원제입니다. 전자를 받아들이거나 환원되는 원자 또는 분자는 산화제입니다. 이러한 관계를 기억하는 한 가지 방법은 '석유 굴착 장치'라는 문구를 사용하는 것인데, 이는 'oxidation is losing – reduction is gaining'을 의미합니다.

전기화학 전지

전기화학 전지는 산화 환원 반응에서 방출된 에너지에서 전류를 생성하는 장치입니다. 전기화학 셀은 반응 챔버 또는 챔버와 두 개의 전도성 전극(양극과 음극)으로 구성됩니다. 양극과 음극은 전기적으로 연결되어 있으며 반응 챔버는 전해질로 채워져 있습니다. 두 챔버 사이에는 회로를 완성하고 이온이 전극 사이를 이동할 수 있도록 하는 소금 다리가 있습니다.

환원은 음극에서 발생하고 산화는 양극에서 발생합니다. 이것은 니모닉 "빨간 고양이"를 사용하여 쉽게 기억할 수 있는데, 이는 고양이호드에서 붉은uction이 발생한다는 것을 의미합니다.

전기화학 전지에는 두 가지 유형이 있습니다. 하나는 전기 에너지를 사용하여 비자발적 반응을 일으키는 전해 전지입니다. 이러한 유형의 셀에서는 외부 전원에서 전기 에너지가 공급됩니다. 다른 유형의 전지는 전기 에너지를 생성하기 위해 자발적 반응을 사용하는 갈바닉 전지입니다. 배터리는 갈바닉 셀의 예입니다.

갈바닉 셀

볼타 전지라고도 하는 갈바닉 전지는 두 개의 반쪽 전지로 구성됩니다. 각 반쪽 셀에는 전해질에 잠긴 금속 전극이 포함되어 있습니다. 외부 회로는 두 전극을 연결하고 염교는 두 전해질 용액을 연결합니다. 전자는 양극에서 음극으로 흐릅니다. 산화 반쪽 반응은 양극에서 일어나고 환원 반쪽 반응은 음극에서 발생합니다. 예를 들어, 구리와 마그네슘 사이의 갈바닉 셀에서는 음극에서 다음과 같은 반쪽 반응이 발생합니다.

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

그리고 다음과 같은 반쪽 반응이 양극에서 발생합니다.

Mg → Mg²⁺ + 2e^-

전자는 양극에서 산화되는 동안 손실되기 때문에 외부 회로를 통해 이동하여 음극을 줄여 전류를 생성합니다.

양극이 산화됨에 따라 전해질에서 양이온의 농도가 증가합니다. 마찬가지로, 음극이 감소함에 따라 전해질에서 음이온의 농도가 증가합니다. 전기 중립성을 유지하기 위해 이온은 소금 다리를 가로질러 이동합니다. 양극에서 양이온이 생성되면 음이온은 염교를 사용하여 양극 측의 용액에서 이동합니다. 음극 측에서는 음이온이 생성되어 양이온이 소금 다리에서 음극 측의 용액으로 이동하도록 유도합니다. 전자는 외부 회로 와이어를 통해 이동하고 이온은 소금 다리와 용액을 통해 흐른다는 것을 기억하는 것이 중요합니다.

저감 가능성

일부 금속은 다른 금속보다 전자를 잃는 경향이 더 큽니다. 따라서 갈바닉 셀에서 생성되는 전류의 크기는 금속 전극의 유형에 따라 다릅니다. 물질의 표준 전극 전위(E^o)는 물질이 전자를 잃는 경향을 측정한 것입니다. 전극 전위가 거의 동일한 두 개의 금속을 사용하면 생성되는 전류의 크기가 작아집니다. 전극 전위가 매우 다른 두 개의 금속을 사용하면 전류의 크기가 커집니다. 환원 전위가 클수록 금속이 환원되어 산화제로 작용할 가능성이 높아집니다.

구리-마그네슘 갈바닉 셀로 돌아가서 구리의 표준 전극 전위는 0.337볼트이고 마그네슘의 표준 전극 전위는 -2.370볼트입니다. 이 예에서 구리는 음극이고 마그네슘은 양극입니다.

갈바닉 전지 실험을 수행할 때 멀티미터를 사용하여 두 전극 간의 전위차를 모니터링합니다. 측정된 전압은 두 반쪽 반응 사이의 전위 차이와 같습니다.

ΔEº = Eº_음극 - Eº_양극

표준 전극 전위는 두 반쪽 전지가 모두 1M, 1bar 및 298.15K(25°C)의 표준 조건에 있다고 가정합니다. 전압은 전해질 용액의 농도에 따라 달라지며, 이는 Nernst 방정식을 사용하여 결정할 수 있습니다.

여기서, E는 전위차 또는 측정된 전압에 해당하고, E^는 표준 환원 전위, R은 범용 기체 상수(8.314462618 J/mol·K), T는 켈빈 단위로 측정된 온도, F는 패러데이 상수(96,485.33212 C⋅^mol-1), n은 반응에서 전달된 전자의 수, Qh는 반응 지수입니다. 반응 지수는 평형 상수에 해당하는 전기화학적 등가물입니다.

참조

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). 화학 및 화학 반응성. 캘리포니아 벨몬트 : Brooks / Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). 화학: 물질과 변화의 분자적 성질. 매사추세츠주 보스턴: 맥그로 힐.
3. Harris, D.C. (2015). 정량적 화학 분석. 6차 개정판. 뉴욕, 뉴욕 : WH 프리먼 앤 컴퍼니.

전기화학 반응은 두 물질 사이에서 전자가 전달되는 과정으로, 하나는 전자를 잃고 다른 하나는 전자를 얻습니다. 물질이 전자를 잃을 때, 우리는 그것이 산화를 겪었거나 산화되었다고 말합니다. 전자를 얻을 때, 우리는 그것이 환원을 겪었거나 환원되었다고 말합니다. 이 둘을 구별하는 데 도움이 되도록 'oil rig'라는 문구를 기억하십시오. 일부 전기화학 반응은 자발적으로 발생하며, 이는 갈바닉 셀에서 연구할 수 있습니다.

갈바닉 셀에는 네 가지 주요 부분이 있습니다. 첫째, 두 개의 금속 전극이 있으며 각 전극은 서로 다른 전해질 용액에 잠겨 있습니다. 용액은 각 전극에서 발생하는 반쪽 반응, 즉 산화 또는 환원 반응에 필요한 이온으로 구성됩니다. 용액은 소금 다리로 연결되어 이온의 흐름을 가능하게 하고 용액의 전하 중성을 유지합니다. 전극은 외부 회로로 연결되어 있으며, 전자는 반응 중에 이를 통해 이동합니다.

양극은 반응에서 전자를 포기하거나 산화되는 전극입니다. 음극은 전자를 얻고 감소하는 전극입니다. 이 두 레이블을 구별하는 데 도움이 되도록 음극에서 환원이 발생하므로 'red cat'이라는 문구를 기억하십시오.

그렇다면 어떤 금속이 양극 역할을 하고 어떤 금속이 음극 역할을 하는지 어떻게 알 수 있을까요? 우리는 금속의 표준 전극 전위를 사용할 수 있으며, 이는 금속이 전자를 잃는 경향을 측정한 것입니다. 음극 전위가 더 크다는 것은 금속이 전자를 잃는 경향이 더 높다는 것을 의미합니다. 전자는 항상 표준 전위가 낮은 금속에서 표준 전위가 더 큰 금속으로 흐릅니다.

갈바닉 셀에서 전자는 양극에서 음극으로 흐르므로 양극은 표준 전위가 낮은 금속이고 음극은 표준 전위가 더 높은 금속입니다. 전자가 두 전극 사이를 이동할 때 전위가 측정됩니다. 생성된 전압의 크기는 음극의 표준 전위에서 양극의 표준 전위를 뺀 값과 같습니다.

따라서 예를 들어 납 및 주석과 같이 유사한 표준 전극 전위를 가진 두 개의 금속이 갈바닉 셀에 사용되는 경우 생성되는 전압의 크기가 낮아집니다. 금속이 은과 마그네슘과 같이 다른 표준 전위를 갖는 경우 생성된 전압이 높아집니다.

이 실험실에서는 두 개의 금속 전극을 사용하여 갈바닉 셀을 구성하고 산화 및 환원 반응이 발생할 때 생성되는 전위를 측정합니다. 그런 다음 알려진 표준 전위를 사용하여 알려지지 않은 금속 전극을 식별하고 생성된 전압의 크기를 결정합니다.