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[일반화학실험] 18. 화학전지 실험 보고서 레포트 – 화학로그
화학전지 실험 보고서 레포트 … 실험기구&시약 … 화학 전지 : 금속과 양이온의 자발적인 산화·환원 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 …
Source: science-chemistry-log.tistory.com
Date Published: 2/8/2021
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화학전지 (예비 보고서) – 네이버 블로그
1)실험목적. 전기 화학 반응에서 발생하는 전자의 흐름을 이용하여 만들어진 전지의 기본원리를 이해하고 전지의 전위차와 산화-환원 반응의 평형상수 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 9/10/2022
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애플레포트 [자연과학] [화학실험보고서] 화학전지화학실험결과
[화학실험보고서] 화학전지. 실험목적 산화 환원 반응에 동반하는 전자의 흐름을 이용하여 만들어진 전지의 기본 원리를 이해하여 전지의 전위차와 …Source: areport.iwinv.net
Date Published: 12/11/2021
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[자연과학]화학실험보고서 – 화학전지
[자연과학]화학실험보고서 – 화학전지 , [자연과학]화학실험보고서 – 화학전지화학실험과제 , 자연과학 화학실험 화학전지.Source: www.allreport.co.kr
Date Published: 6/16/2021
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화학실험보고서 화학전지 – 농도에 따른 기전력 변화를 측정해 …
(1) Abstract 이번 실험은 화학전지에 관한 것으로 농도에 따른 기전력 변화를 측정해 보고 이를 네른스트 식을 이용해서 이론적으로 계산한 수치와의 비교해 보았다.
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Date Published: 8/10/2021
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리포트 > 자연과학 > 화학실험보고서 – 화학 전지 실험
화학 전지 실험목적 ⇨ 화학전지인 다니엘 전지를 만들어 보고 두 전극 간에 전위차를 측정한다. 이론 표준 전극 전위: 25℃ 1기압에서 산화-환원 반쪽 반응에 참여하는 …
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Date Published: 10/2/2022
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화학실험보고서 – 화학 전지 실험 – 레포트월드
화학실험보고서 – 화학 전지 실험 실험목적⇨ 화학전지인 다니엘 전지를 만들어 보고 두 전극 간에 전위차를 측정한다.이론표준 전극 전위: 25℃ 1기압에서 산.
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Date Published: 6/9/2021
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[일반화학실험] 18. 화학전지 실험 보고서 레포트
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출처: 미래엔 화학2 교과서
1. 목표
자발적 화학 반응으로 일어나는 전자 이동을 이용하여 전기 에너지를 얻는 전지의 원리를 알아보고, 몇 가지 금속 이온의 전기화학적 서열을 확인한다.
2. 실험기구&시약
시약 : 1.00M 질산 아연(Zn(NO3)2) 용액 150mL, 1.00M 질산 납(Pb(NO3)2) 용액 150mL, 1.00M 질산 구리(Cu(NO3)2) 용액 150mL, 1.00M 묽은 염산(HCI) 300mL, 2cm X 7cm 아연(Zn)판 3개, 2cm X 7cm 납(Pb)판 3개, 2cm X 7cm 구리(Cu)판 3개, 한천(Agar) 50g, 염화 칼륨(KCl) 50g, 10cm X 10cm 사포2개
기구 : 100mL 비커 6개, U자 유리관(내경이 7mm 이상) 6개, 집게 달린 도선 2개, 직류 전압계 1개, 100mL 눈금 실린더 1개, 자석 교반기와 자석 막대, 약수저 1개
3. 실험 원리
(1) 금속의 이온화 경향성
그림 출처: 비상 화학2 교과서
이온화 경향이 큰 금속과 이온화 경향이 작은 금속 이온이 반응하면 이온화 경향이 큰 금속은 이온화 경향이 작은 금속 이온에 전자를 주고 산화된다.
하지만 이온화 경향이 작은 금속과 이온화 경향이 큰 금속 이온 사이에는 반응이 일어나지 않는다.
또 금속 중 수소보다 이온화 경향이 큰 금속은 산 수용액과 반응하여 수소 기체를 발생하나, 수소보다 이온화 경향이 작은 금속은 산 수용액과 반응해도 수소 기체를 발생하지 않는다.
(2) 화학 전지
화학 전지 : 금속과 양이온의 자발적인 산화·환원 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 장치
금속 간의 산화 환원 반응이 수용액에서 자발적으로 일어나면 전자가 이동하고 열에너지가 방출되어 수용액의 온도가 높아진다.
수용액에서 금속 간의 산화 환원 반응이 일어날 때 전자의 이동이 도선을 통해 일어나도록 하면 회로에 전류가 흘러 전기 에너지를 얻을 수 있다. 이를 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치를 화학 전지라고 한다.
하면 회로에 전류가 흘러 전기 에너지를 얻을 수 있다. 이를 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치를 화학 전지라고 한다. 산화·환원 반응은 전자를 주고받는 반응으로 산화되는 물질과 환원되는 물질이 접촉하고 있으면 직접 전자를 주고받을 수 있다. 하지만 화학 전지는 전자를 간접적으로 주고받으며 전자의 이동이 일을 하게 만든 장치이다.
이 때 전지의 성능은 전위차에 의존한다. 화학 전지는 두 개의 극으로 구성되어 있는데, (-)극에서 산화되는 금속의 산화 반응성이 커서 전자를 쉽게 내놓을수록, (+)극에서 환원되는 금속의 양이온이 환원 반응성이 커서 전자와 잘 결합할수록 전위차가 크다.
전자는 산화전극에서 환원전극으로 흘러가므로, 전류는 환원전극에서 산화전극 쪽으로 흘러간다. 이 때 환원전극이 산화전극보다 전위가 더 높아서 환원전극을 (+)극, 산화전극을 (-)극 이라고 부르기도 한다.
(3) 볼타전지 : 금속과 수소 이온 사이의 산화·환원 반응을 이용한 화학 전지
그림출처 : 비상 화학2 교과서
① 전지 구성
(-)극 : 이온화 경향이 큰 마그네슘, 아연 등의 금속
(+)극 : 전기를 잘 전도하면서도 산과 반응하지 않는 물질 (예) 구리
전해질 : 묽은 산을 사용
② 원리 : 볼타 전지에서는 (-)극에서 산화 반응에 의해 발생한 전자가 (+)극과의 전위차에 의해 도선을 따라 (-)극에서 (+)극으로 이동한다.
아연과 수소 이온의 반응은 자발적으로 일어나며 발열반응이다.
묽은 황산에 아연판과 구리판을 넣고 두 금속판을 도선으로 연결하면, 아연이 산화하여 생긴 전자가 도선을 통해 구리판으로 전달되고, 구리판에서 용액 중의 수소 이온이 환원되어 수소 기체가 발생한다.
이 과정에서 아연판에서는 전자가 생성되어 도선으로 이동했으므로 아연판은 (-)극 이고, 구리판에서는 수소 이온의 환원에 필요한 전자가 도선으로부터 공급되었으므로 구리판은 (+)극 이다.
이렇게 산화와 환원 반응이 도선으로 연결된 두 전극에서 분리하여 일어나도록 하면 전자가 도선을 통해 흐르게 되고 화학 에너지가 전기 에너지로 전환된다.
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③ 볼타 전지의 한계
(-)극에서 수소 이온의 환원 : 아연판에서 아연의 산화로 생성된 전자가 도선을 통해 구리판으로 전달되어 수소 이온의 환원에 쓰이지만, 수소 이온은 아연판 주위에도 존재하므로 아연판 주위에서도 수소 이온의 환원이 일어난다. 이러한 반응이 일어나는 만큼 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 효율이 낮아진다.
분극 현상 : (+)극에서 전해질의 양이온이 환원되어 생성되는 기체가 빨리 제거되지 않아 (-)극에서 이동해온 전자와 전해질의 양이온 사이의 결합이 느려져 전압이 떨어지는 분극 현상 이 발생한다. 구리판에서 수소 기체가 발생하여 구리판을 둘러싸면 수소 이온이 구리판 표면에서 전자를 얻기 어려워지므로 전압이 급격하게 떨어진다.
: 이 발생한다. 구리판에서 수소 기체가 발생하여 구리판을 둘러싸면 수소 이온이 구리판 표면에서 전자를 얻기 어려워지므로 전압이 급격하게 떨어진다. 분극 현상은 구리판에 달라붙는 수소 기체에 의해 나타난다. 따라서 분극 현상을 없애려면 구리판에 이산화 망가니즈와 같은 산화제를 넣어 수소 기체를 산화시켜 제거 한다.
(4) 다니엘 전지 = 갈바니 전지 : 볼타 전지의 분극 현상을 해결하고 효율성을 높이기 위해 고안된 전지로 산화와 환원 반응이 서로 분리된 용액에서 일어난다.
그림출처 : 비상 화학2 교과서
① 다니엘 전지는 두 개의 용기를 사용하여 각각 금속과 그 금속의 양이온을 포함한 전해질을 넣어 염다리와 도선으로 연결한다. 산화 반응이 일어나는 아연판을 아연 이온이 들어 있는 황산 아연 수용액에 넣고, 환원 반응이 일어나는 구리판을 구리 이온이 들어 있는 황산 구리(Ⅱ) 수용액에 넣은 후 두 수용액을 염다리로 연결하여 만든다.
② 양쪽 전극의 수용액이 분리되어 있으므로 산화와 환원 반응이 분리되어 일어난다.
(-)극에서는 금속이 양이온으로 녹아 들어가고 전자는 도선을 따라 (+)극으로 이동하여 양이온을 환원시킴으로써 (+)극에서는 금속이 석출 된다. 이렇게 한 쪽은 양이온이 줄어들고 다른 쪽은 늘어나므로 전하의 불균형을 해소하기 위해 염다리에서 부족한 이온을 공급 한다.
된다. 이렇게 한 쪽은 양이온이 줄어들고 다른 쪽은 늘어나므로 전하의 불균형을 해소하기 위해 한다. 금속 위에 금속이 석출되어도 전극 반응에서 기체가 발생하지 않아 전해질과 전자의 결합이 방해받지 않으므로 분극현상이 없다.
하지만 두 개의 전해질을 사용하고 염다리를 사용하는 것은 불편해서 실용전지에서는 주로 볼타 전지 타입을 사용한다.
③ 염다리
전지에서 산화 반응이 일어나는 전극과 환원반응이 일어나는 전극이 담겨 있는 두 용액을 연결하는 장치
일반적으로 염화 칼륨, 질산 칼륨 등의 포화수용액을 한천과 함께 끓인 후 U자관에 부어 굳혀서 만든다.
(-)극에서 산화 반응에 의해 용액에 양이온이 증가하는 만큼 염다리의 음이온이 공급되고, (+)극에서 환원 반응에 의해 용액 중의 양이온이 없어지는 만큼 염다리의 양이온이 공급되어 전기적으로 중성을 유지하므로 전하 균형이 유지 되어 전극에서 반응이 계속 일어날 수 있다.
(5) 표준 환원 전위 : 수소 전극을 기준으로 25°C, 1기압, 1M의 전해질 농도에서 각 금속의 환원 반응의 전위를 측정한 값
① 이 값이 양으로 클수록 환원이 잘 일어나고, 이 값이 음으로 클수록 산화가 잘 일어난다.
② 표준 환원 전위가 클수록 화학 전지의 (+)극이 되기 쉽고, 작을수록 (-)극이 되기 쉽다.
(6) 전압계
① 단자 : (+)극 빨강색, (-)극이 검정색으로 되어 있다.
② 두 금속판 사이의 전압이 꼭 양수값이 되도록 측정하여야 한다.
4. 실험 유의사항
금속판은 크기가 같은 것으로 3개를 준비하고 사용하기 직전 사포로 갈아서 금속의 본래의 색과 광택이 나도록 준비한다.
사용한 후의 U자관은 KCl 포화 수용액에 넣어서 보관한다. 염다리를 여러 번 사용하면 이온의 분포가 균일하지 않고 한천이 녹아 나와 저항이 커지고, 심하면 유리관 내부에 공간이 생겨 기포가 들어가게 되면 용액에 담가도 제 역할을 하지 못한다.
한천과 포화된 KCl 용액의 부피 비율을 2:3으로 섞어 완전하게 녹을 때까지 가열한 후 U자관에 부어 염다리를 만든다. U자관 끝을 탈지면이나 유리솜으로 막고 응고시킨다.
U자관의 끝에 있는 한천이 너무 단단하게 응고되지 않도록 주의한다. 너무 단단하게 응고되면 전류가 통하지 않게 되는 경우가 있다. 만약 염다리를 연결한 후에도 전류의 흐름이 관찰되지 않으면 유리 막대를 이용하여 한천을 조금 흔들어준다.
세 종류의 금속판 표면을 사포로 깨끗이 닦아 반응이 잘 일어나도록 준비한다.
한 번 사용한 금속판을 다시 사용할 때에는 반드시 사포로 표면을 닦는다.
이 실험에서 다루는 시약은 중금속을 포함하므로 실험이 끝난 후 반드시 폐수 통에 구분하여 버린다.
부피 플라스크를 사용할 때 정확한 양을 측정하기 위하여 마지막 눈금은 스포이트로 맞춘다.
스포이트는 눕히지 않고 세운 후 엄지와 검지를 이용하여 고무를 잡고, 나머지 세 손가락을 이용하여 유리관을 고정시킨 후 사용한다.
저울은 영점 조절을 한 후 사용한다.
5. 실험과정
A. 전기화학적 서열
구리, 아연, 납으로 된 얇은 판을 가로와 세로가 각각 0.5 cm 정도로 두 개씩 잘라서 양면을 고운 사포로 깨끗하게 닦은 후 구리선을 연결한다. 두 개의 비커에 1.0 M Cu(NO3)2 용액을 약 10 ml 씩 피펫으로 옮긴 후에 각 비커에 아연판과 납판을 담근다. 같은 방법으로 1.0 M Zn(nNO3)2 용액에 구리판과 납판을 넣고, 1.0 M Pb(NO3)2 용액에는 구리판과 아연판을 담근다. 각 비커에서 일어나는 화학 반응을 관찰하여 기록한다.
B. 화학 전지
얇은 아연판과 구리판을 가로 1.0 cm, 세로 7.0 cm로 잘라서 양면을 고운 사포로 잘 닦은 후 구리선을 연결한다. 100 mL 비커 두 개를 준비하여, 한 쪽에는 1.0 M Zn(NO3)2 용액 80 mL를 넣은 후에 아연판을 담그고, 다른 쪽에는 1.0 m Cu(NO3)2 용액 80mL를 넣고 구리판을 넣는다. 금속판이 용액에 5 cm 정도 잠기도록 하고, 두 비커를 염다리로 연결한다. 아연판과 구리판에 디지털 전압계를 직류전압모드로 연결한다. 음수값이 나오면 단자를 반대로 연결하여 양수값이 나오도록 한다. 전지의 전위차를 측정하여 기록한다. 구리 용액과 구리판 대신에 1.0 M Pb(NO3)2 용액 80 mL에 납판을 넣는다. 구리 전극과 납 전극을 연결하여 전위차를 측정한다.
6. 실험 결과
A. 전기화학적 서열
1. 각 비커에서 관찰한 사항
아연판과 납판이 들어있는 비커: 아연이 산화되고 납이 환원되었다.
구리판과 납판이 들어있는 비커: 납이 산화되고 구리가 환원되었다.
구리판과 아연판이 들어있는 비커: 아연이 산화되고 구리가 환원되었따.
2. 산화가 잘 되는 순서: 아연 > 납 > 구리
3. 환원이 잘 되는 순서: 아연 < 납 < 구리 B. 화학 전지 1. 전극 사이의 전위차 연결된 금속 0분 2분 4분 예상값 (=표준환원전위값) Zn-Cu 0.998V 0.986V 0.978V 0.340+0.7618=1.102V Zn-Pb 0.518V 0.518V 0.518V -0.130+0.7618=0.632V Cu-Pb 0.278V 0.272V 0.264V 0.340+0.130=0.476V 728x90 2. 전극의 이름과 전극에서 일어나는 반응 (1) 아연 - 구리 전지 (환원전극) Cu2+ + 2e- → Cu (산화전극) Zn → Zn2+ + 2e- (2) 아연-납 전지 (환원전극) Pb2+ + 2e- → Pb (산화전극) Zn → Zn2+ + 2e- (3) 구리-납 전지 (환원전극) Cu2+ + 2e- → Cu (산화전극) Pb → Pb2+ + 2e- 7. 고찰, 생각해볼 사항 (1) 만약 전극을 담그는 용액의 농도를 바꾸면 전압이 어떻게 바뀌겠는가? 네른스트 식에 의해 전압이 달라질 것이다. (2) 시간이 지나면 두 전극 사이의 전위차는 어떻게 달라져 있겠는가? 감소할 것이다. (3) 부록의 표준 환원 전위로부터 계산한 전위차와 실제 측정값이 다른 이유는 무엇일까? 금속 표면의 불순물이 완전히 제거되지 않았을 것이다. 염다리의 농도, 염다리의 상태에 따라 오차가 발생한다. 표준 농도가 아니기 때문에 차이가 날 것이다. 또한 다니엘 전지에서는 농도차 분극, 과전위, 저항 전위 등의 영향으로 시간이 흐를 수록 전압이 감소한다. [참고문헌] 화학2, 비상 화학2, 미래엔 표준일반화학실험 7판, 대한화학회 화학실험, 서울특별시교육청 728x90 반응형 LIST
화학전지 (예비 보고서)
1)실험목적
전기 화학 반응에서 발생하는 전자의 흐름을 이용하여 만들어진 전지의 기본원리를 이해하고 전지의 전위차와 산화-환원 반응의 평형상수 등과의 관계를 알아본다. 또한 화학전지를 제작하여 전위 값을 측정해본다.
2)이론 및 과제조사
(1) 산화-환원 반응
산화-환원 반응은 전자의 이동으로 일어난다. 즉, 어ᄄᅠᆫ 원자가 전자를 잃어버리는 반응을 산화라 하고 전자를 얻는 반응을 환원이라 한다. 예를 들어 금속 아연을 황산구리 용액에 담그면 아연이 녹아 아연 이온으로 산화되고 구리 이온은 환원되어 금속 아연 표면에 금속 구리가 석출된다.
Zn + Cu2+ ー＞ Cu + Zn2+
그러나 이러한 반응 조건에서는 화학 에너지의 변화가 열(반응 엔탈피)로써만 나타난다. 위의 반응을 반쪽 반응식으로 나타내면.
Zn ー＞ Zn2+ + 2e-
Cu2+ + 2e ー＞ Cu
이와 같이 산화-환원 반응은 전자를 내어주는 환원제와 전자를 받아들이는 산화제의 쌍의 작용으로 일어나며, 이 때 잃거나 얻은 전자의 수는 같다. 산화-환원 반응의 당량은 산-염기 중화반응의 당량과는 달리 이동된 전자수를 고려해야 한다. 즉, 화학식량을 반응에 관계한 전자의 수로 나누어 준 값이 당량이 된다.
산화-환원 반응의 척도는 전위차인데 전위차는 수소 반쪽 전지를 기준으로 하여 측정한다. 표준 반쪽 전지는 수소 이온의 농도가 1.0M인 용액에 담근 백금 전극 위에 1기압의 수소를 접촉시켜 만든 것이다.
(2) 금속의 이온화 경향
금속이 수용액에서 전자를 잃고 양이온이 되려는 성질이다. 이온화 경향이 큰 금속일수록 반응성이 커서 전자를 잃고 산화되기 쉽다.
이온화 경향이 큰 금속과 이온화 경향이 작은 금속의 이온 사이에 산화-환원 반응이 일어난다.
예) Mg(s)+Fe2+(aq) →Mg2+(aq)+Fe(s)
Zn(s)+Al3+(aq)→반응이 일어나지 않음
(3)화학전지의 종류
화학전지는 자발적인 산화·환원 반응을 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 장치. 전지의 구성은 (-)극 | 전해질 용액 | (+)극으로 구성된다. (-)극에서는 산화가, (+)극에서는 환원이 일어난다. 따라서 전자는 (-)극에서 (+)극으로 이동하고 전류는 (+)극에서 (-)극으로 이동한다. 흔히 알려진 전지로는 볼타 전지, 다니엘 전지, 2차 전지로는 납축 전지, 니켈-수소 전지, 리튬이온 전지 등이 있다.
1) 볼타전지
볼타전지는 아연판(Zn)과 구리판(Cu)을 묽은 황산(H2SO4)에 담가 도선으로 연결한 전지이다.
반응성이 큰 아연판은 산화되어 전자를 내놓는 ( – )극이 되고, 반응성이 작은 구리판은 ( + )극이 되어H+이 전자를 얻고 환원된다.
( – )극(아연판)：Zn(s) →Zn2+(aq)+2e-(산화 반응)
( + )극(구리판)：2H+(aq)+2e-→H2( g ) (환원 반응)
전체 반응：Zn(s)+2H+(aq)→Zn2+(aq)+H2( g )
볼타 전지에서는 구리 표면에 수소기체가 발생해서 구리판에 달라붙어 H+ 이온이 전자를 얻어 환원하는 것을 막아 전류를 시간이 지남에 따라 떨어뜨리는 분극 현상을 일으키는 단점이 있었다.
2) 다니엘 전지
다니엘 전지는 아연판(Zn)을 황산 아연(ZnSO4) 수용액에, 구리판(Cu)을 황산 구리(Ⅱ)(CuSO4) 수용액에 넣은 후 두 수용액을 염다리로 연결하여 만든 전지이다.
반응성이 큰 Zn이 전자를 잃고 산화되면서 Zn2+이 되어 용액 속으로 녹아 들어가며, 전자는 도선을 통하여 구리판으로 이동하고, 반응성이 작은 금속 이온인 Cu2+이 전자를 받아서 환원되어 Cu로 석출된다.
( – )극(아연판)：Zn(s) → Zn2+(aq)+2e-(산화 반응)
( + )극(구리판)：Cu2+(aq)+2e-→Cu(s) (환원 반응)
전체 반응：Zn(s)+Cu2+(aq) 1⁄ Zn2+(aq)+Cu(s)
아연판은 Zn2+이 되어 용액 속으로 녹아 들어가므로 아연판의 질량은 감소하지만, 구리판에서는 용액 속의 Cu2+이 Cu로 석출되므로 구리판의 질량은 증가한다.
3)전해전지
전기 분해를 통해 화학 반응을 일으키는 전지는 전해 전지라고 부른다. 비자발적으로 반응이 일어나는 전지이다. 화학전지가 발생시킬 수 있는 전위보다 높은 전위의 전류를 충분히 공급할 수 있는 전원장치에 연결되어 있다면 갈바니 전지의 반대 반응이 일어난다. 산화전극( Anode) 에는 산화반응이 일어나고 환원전극( Cathode) 에는 환원반응이 일어난다.
(4)염다리
염다리는 전기화학에서 두 반쪽 전지 (갈바니 전지)를 연결할 때 쓰이는 장치이다. 염다리는 염다리의 양이온이 환원전극 쪽으로 이동하고 음이온은 환원전극에서 염다리 쪽으로 이동시켜 전하의 축적을 정확히 상쇄해 빠르게 평형을 이루는 내부 회로의 전기적 중성을 유지한다.
만약 염다리를 사용하지 않을경우 전지 반응의 진행에 따라 한 곳의 반쪽 전지에는 양전하가, 반대쪽의 반쪽 전지에는 음전하가 축적되게 되고, 이내 반응이 중지됨으로써 전기의 생산 역시 중단된다.
염다리는 전해질로 채워진 U자관으로 이루어져 있다. 전해질은 염화 포타슘이나 염화 소듐이 주로 사용된다. 이 외에도 염다리를 만들 수 있는 전해질의 종류는 많지만 다음과 같은 조건을 충족해야 한다.
<전지 반응과 무관한 이온으로 구성되어야 한다.>
<양전하와 음전하의 전도성이 비슷하고, 비슷한 이동 속도를 가져야 한다.>
<전기가 잘 통하고 이동도가 변하지 않는 것이 좋다.>
염다리의 전도도는 주로 전해액의 농도에 의존한다. 포화점 이하의 농도에서 전해액의 농도를 높이면 전도도가 증가하고, 과포화 상태의 전해질을 사용하거나 좁은 직경의 튜브를 사용하면 낮은 전도도를 보인다.
염다리의 농도가 반쪽 전지의 농도보다 매우 크기 때문에 이온의 이동은 염다리 밖으로의 이동이 염다리 안으로의 이동보다 훨씬 많다.
(5)표준환원전위
산화-환원 반응의 척도는 전위차인데 전위차는 수소 반쪽 전지를 기준으로 하여 측정한다. 표준 반쪽 전지는 수소 이온의 농도가 1.0M인 용액에 담근 백금 전극 위에 1기압의 수소를 접촉시켜 만든 것이다.
전지전위란 사전적인 의미에서는 전지에서 두 전극 사이의 전위차를 의미한다. 특히, 전해질의 농도가 1M, 기체의 압력이 1기압, 온도가 25℃일 때의 전지전위를 표준 전지 전위라 하고 이를 E˚전지로 나타낸다.
또한, 전극에서 일어나는 환원 반응에 대한 전위를 환원 전위라 하고, 전해질 농도가 1M, 기체의 압력이 1기압, 온도가 25℃일 때의 환원 전위를 표준 환원 전위라 한다.
산화-환원 반응의 동시성 때문에 어느 한쪽의 반쪽 전지만 분리하여 전위를 측정할 수 없다. 따라서 반쪽 전지의 전위를 측정할 기준이 필요하게 되는데, 이 것이 바로 표준 수소 전극 이다. 표준 수소 전극이란 수소 이온의 농도가 1M인 수용액에 백금 전극을 꽂고 1기압, 25℃의 수소기체를 주위에 채운 구조로 E˚전지=0.00V 이다. 이를 기준으로 표준 환원 전위의 값을 정하였는데, 표준 환원 전위가 (+)값이면 H+ 보다 전자를 받기 쉽고, (-)값이면 H+ 보다 전자를 받기 어렵다.
3)실험기구 및 시약조사
(1)실험기구
납판 (Pb)
아연판 (Zn)
구리판 (Cu)
염다리 종이 2개
멀티미터
50 mL 비커 3개
100 mL 비커 1개
가위, 핀셋
(2)실험시약
1 M 질산납 ( Pb(NO3)2 )
1 M 질산아연 ( Zn(NO3)2 )
1 M 질산구리 ( Cu(NO3)2 )
Potassium chloride (KCl)
4)실험방법
(1)이온화 경향 확인
1.세 가지 금속판 ( 납판(Pb), 아연판(Zn), 구리판(Cu) )을 집어간 후 가위를 이용해서 조그맣게 자른다.
2. 1M Pb(NO3)2, 1M Zn(NO3)2, 1M Cu(NO3)2 용액을 50mL 비커에
30mL씩 담는다.
3. 각 용액에 성분이 다른 금속을 담가 화학반응이 일어나는지 관찰한다.
① 질산납 수용액 ( Pb(NO3)2 ) 에 아연(Zn), 구리(Cu) 금속 조각
② 질산아연 수용액 ( Zn(NO3)2 ) 에 납(Pb), 구리(Cu) 금속 조각
③ 질산구리 수용액 ( Cu(NO3)2 ) 에 아연(Zn), 납(Pb) 금속 조각
4. 수용액에 넣은 금속을 지켜본 후 핀셋으로 꺼낸다.
총 6가지의 조합으로 실험을 진행하고 이온화 서열에 따른 산화제와 환원제가 무엇인지 결과에 나타낸다.
(2)화학 전지 제작
1. 길게 잘린 세 가지 금속판 ( 납판(Pb), 아연판(Zn), 구리판(Cu) ) 과 염다리 종이 2개를 준비한다.
2. KCl 용액을 100mL 비커에 20mL 담는다.
3. 멀티미터로 직류전압을 측정할 준비하고, 환원전극(적색선), 산화전극(흑색선)에 따라 금속을 집게로 집는다.
4. 염다리 종이를 KCl 용액에 푹 담근 후, 양쪽 용액에 염다리의 양끝이 잠기도록 설치한다.
5. 각 금속을 같은 금속질산염에 담가 놓은 뒤 전극 전위를 측정한다.
① Zn(NO3)2 에 Zn 금속(흑색선) & Cu(NO3)2 에 Cu 금속(적색선)
② Zn(NO3)2 에 Zn 금속(흑색선) & Pb(NO3)2 에 Pb 금속(적색선)
→ 기전력(전압)이 최대값이 되는 지점을 측정(측정값)하고 각 반쪽전지의 “표준 환원 전위표” 로부터
얻어지는 기전력(이론값)을 비교하여 오차를 구한다.
5)참고문헌
(1)일반화학시험 교재. 2015
(2)줌달의 일반화학2
(3)응용화학과 chap.7 ppt 자료
(4) https://if-blog.tistory.com/5879 (교육부 공식블로그)
(5) http://study.zum.com/book/14774 (학습백과)
(6) http://study.zum.com/book/14577 (학습백과)
(7) http://www.cyberschool.co.kr/html/text/chm/chm552.htm
(8)
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[size : 31 Kbyte] [화학실험보고서] 화학전지실험목적
산화 환원 반응에 동반하는 전자의 흐름을 이용하여 만들어진 전지의 기본 원리를 이해하여 전지의 전위차와 산화 환원력, 산화 환원 반응의 평형상수 등과의 관계를 알아본다.
실험원리
산화 환원 반응
산화(oxidation)
환원(reduction)
전자의 이동에 의한 정의
어떤 원자가 전자를
잃어버리는 반응
어떤 원자가 전자를
얻는 반응
산소의 결합이나
분리에 의한 정의
산소가 다른 원소 또는
화합물과 결합하는 반응
산화물이 산소를 잃는 반응
≫ 산화 환원 반응은 전자를 내어주는 환원제와 전자를 받아들이는 산화제의 쌍의 작용 으로 일어남 (→잃고 얻는 전자 수는 동일)
≫ 산화 환원 반응의 척도 : 전위차 (표준 수소 반쪽 전지를 기준으로 측정)
표준 수소 전극 : 백금 전극을 사용하여 1M의 H+수용액과 접촉하고 있는 1기압 H2기체로 이루 어진 반쪽전지가 나타내는 전위차를 0.00V로 정하는 것 , 모든 표준 전극 전위의 기준이 된다.
2H+(aq,1M) +2e+ → H2(g, 1atm), E°= 0.00V
화학 전지 – 자발적으로 일어나는 산화 환원반응으로 인하여 생기는 전자의 이동을 이용하여 전류를 얻는 장치 ( 화학에너지 → 전기에너지 )
(-)극
전자를 내놓는 산화 반응이 일어남
전극 : 이온화 경향이 큰 금속
(+)극
전자를 얻는 환원 반응이 일어남
전극 : 이온화 경향이 작은 금속이나 탄소 막대
산화 환원 반응의 자발성 – 산화 환원 반응의 표준 전극 전위 E°의 값이 (+)이면 정반응이 자발적으로 진행되고, (-)이면 역반응이 자발적으로 진행된다. 또한 E°의 값이 (+)이면 그 값이 클수록 쉽게 환원될 수 있는(이온화 경향이 작은)금속이며, (-)값이면 수소보다 산화반응이 일어나기 쉽다는 것이다.
ΔEcell = ΔEcath…(생략)
ode – ΔEanode
ΔEell ` 0 → 자발적인 반응
ΔEell ` 0 → 비자발적인 반응
금속의 이온화 경향
K ` Ca ` Na ` Mg ` Al ` Zn ` Fe ` Ni ` Sn ` Pb ` (H) ` Cu ` Hg ` Ag ` Pt ` Au
이온화 경향이 크다.
이온화 경향이 작다.
양이온이 되기 쉽다.
음이온이 되기 쉽다.
산화되기 쉽다.
환원되기 쉽다.
Nernst방정식 – 비표준 상태에서 반응물, 생성물의 농도와 전지기전력 사이의 관계식
Nernst의 정리 – 물리적이나 화학적 변환에 수반되는 엔트로피의 변화는 절대영도로 접근함에 따라 0으로 접근한다.
R : 기체상수 ( 8.314 kJ/ K mol )
T : 절대온도 (K)
F : 패러데이 상수 ( 96500C )
n : 이동한 전자 수
E° : 표준 환원 전위 ( 이온의 농도가 1.0M 일 때 )
평형이 되면 ΔE는 ‘0’이 되므로
이 식에서 온도 25℃일 때, R과 F의 값을 대입하면
E°를 전지로 한 산화 환원 반응에서 평형상수(K)를 구할 수 있다.
K(평형상수) = Q(반응지수)
다이엘 전지 – 두 개의 반쪽 전지로 이루어져 있으며, 황산아연 수용액에 아연 전극을, 황산구리 수용액에 구리 전극을 넣고 염다리로 연결한 전지이다.
(-)Zn|ZnSO4(aq)||CuSO4(aq)|Cu(+)
(-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (산화반응)
(+)극 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (환원반응)
염다리의 역할 – 다이엘 전지의 (-)극에서 Zn2+이온이 생성되어 용액 중에 (+)이온의 양이 많아지게 된다. 이때 염다리에 있는 Cl-이 흘러 들어와서 전기적 균형을 이루게 한다. (+)극에서는 Cu2+이 구리로 석출되므로 용액 중의 (+)이온이 감소하게 된다. 이때 염다리에 있는 K+이온이 들어와서 전기적 균형을 이루게 한다.
염다리 – 염다리는 KCl, Na2SO4, KNO3등의 전해질 용액으로 만들어진 U자관으로, 두 전해질이 섞이지 않게 하고 양쪽 반쪽 전지의 전하가 중성이 되도록 해 준다.
실험결과
1. 두 가지 금속을 각각 다른 2가지 금속질산염 용액에 담구었을 때의 화학반응의 유무를 ○, Ｘ 로 표시하여라.
1
2
조합
Cu-Zn2+
Zn-Cu2+
반응유무
Ｘ
○
≫ Cu2+가 녹아있는 전해질 용액에 금속아연을 담구었을 경우, 아연이 구리보다 이온화 경향이 더 커서 아연의 전자가 구리으로 이동되어 금속아연은 Zn2+으로 이온화 되고 금속아연 표면에 Cu2+가 석출되었다.
2. 다음 조합으로 된 전지에 대해 표를 작성하여라.
Zn – Cu
측정값
0.984V
계산값
1.10V
오차(%)
10.55%
≫ 계산값 : ΔEcell = Ecathode – Eanode = 0.34V – (-0.76V) = 1.10V
E°Cu = 0.34V, E°Zn = -0.76V
cathode – 환원이 일어나는 전극(음극)
anode – 산화가 일어나는 전극(양극)
≫오차:
100% – 89.45% = 10.55%
3. 암모니아수를 가했을 때의 전압의 변화
① 암모니아수의 농도 및 부피 – 28~30% , 2ml
② 질산구리 용액에 가했을 때의 전지의 전압 – 0.760 Volt
③ 질산아연 용액에 가했을 때의 전지의 전압 – 0.880 Volt
4. 실험 1에서 반응이 일어났을 때 그 이온반응식을 써라.
① (-)극 – Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (산화반응)
② (+)극 – Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (환원반응)
③ 전체 – Cu(NO3)2 +Zn → Zn(NO3)2 + Cu
– Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
5. 실험 1의 실험 결과에서 산화제와 환원제를 그 세기의 순서로 기록하여라.
① 산화제 – Cu2+ ` Zn2+
② 환원제 – Zn ` Cu
6. 실험 2에서 만든 전지에 대해 산화전극 및 환원전극을 지적하고, 각 극에서 일어나는 화학반응식을 써라.
산화전극
환원전극
이온반응식
산화전극
환원전극
Zn – Cu
아연
구리
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
7. 실험 3에서 일어나는 반응을 화학 반응식으로 쓰고 전압이 변하는 이유를 설명하여라.
① 질산구리 용액에 암모니아수를 가했을 때
반응식 : Cu(NO3)2(aq) + NH4OH(aq) → Cu(OH)2(s) + 2NO3-(aq) +2NH4+(aq)
이 유 : 질산구리 용액에 소량의 암모니아수를 가했을 때는 청백색 Cu(OH)2 앙금이 생성되어 전류가 흐르는 것을 방해하여 암모니아수를 가하기 전보다 전압이 낮아진다.
② 질산아연 용액에 암모니아수를 가했을 때
반응식 : Zn(NO3)2(aq) + NH4OH(aq) → [Zn(NH3)4]2+(aq) + 2NO3-(aq)
이 유 : 질산아연 용액에 소량의 암모니아수를 가하게 되면 [Zn(NH3)4]2+인 착이온이 형성이 된다. 이 착이온은 질산구리용액과는 달리 염다리를 통해 이온 간의 이동을 더 쉽게 하여 전압이 암모니아수를 가하기 전보다 높아지게 된다.
8. Zn2+ + Cu → Cu2+ + Zn 의 전위차를 구하고, 반응이 자발적으로 일어나겠는가
E°Cu = +0.34V, E°Zn = -0.76V
산화된 이온 – Cu
환원된 이온 – Zn
ΔE = E°Zn – E°Cu = -1.10V
∴ (-)값이므로 비자발적 반응
9. Fe2+용액에 Ce4+이온을 첨가하여 당량점이 되는 때의 전위차가 1.11V였다. 이때의 [Fe3+]/[Fe2+]의 값을 구하여라.
Fe2+ + Ce4+ Fe3+ + Ce3+
당량점에서 [Fe2+]=[Ce4+]
Fe2+ → Fe3+ + e- (산화) E°= 0.77V
Ce4+ + e- → Ce3+ (환원) E°= 1.61V
≫ΔEell = ΔEcathode – ΔEanode
= 1.61V – 0.77V
= 0.84V = E°
=
( ∵ 1:1 반응이므로 당량점에서의 [Fe3+] = [Ce3+] 도 동일하다.)
E = 1.11V
E° = 0.84V
≫ 이 식에 정리해서 대입하게 되면,
≫ E = E° – 0.0592 logQ
≫ 1.11 = 0.84 – 0.0592 logQ
≫ 0.27 = -0.0592 logQ
≫ logQ = -4.5608
≫ Q ≒ 36376
≫ Q =
∴
실험에 대한 고찰
이번실험은 화학전지 중에서 다니엘 전지에 관한 실험 이였다. 화학 전지란 자발적으로 일어나는 산화 환원반응으로 인하여 생기는 전자의 이동을 이용하여 전류를 얻는 장치로 화학에너지를 전기에너지로 바꿔준다. 실험에서 전해질 용액으로는 질산염 1M 용액을, 금속으로는 구리와 아연을 사용하였다. 금속의 반응성으로 봤을 때와 마찬가지로 질산아연에 아연판을 담근 쪽이 산화가 일어났고 그 반대쪽(구리)이 환원이 일어났다. 그러므로 아연이 산화전극이 되고 구리가 환원전극이 된다. 이 두 용액 사이에는 염다리를 연결하였는데, 염다리는 화학전지의 기능을 오랫동안 할 수 있게 하고, 용액이 섞이지 않게 한다. 이렇게 형성된 화학전지에 직류전압계를 연결하여 전압을 측정한 결과, 계산값보다 측정값이 더 낮게 나왔는데, 그 이유로는 전해질 용액에 두 금속이 닿는 표면적이 달라 차이가 나타 날 수도 있고, 직류전압계가 불안정하여 계통오차가 생겼을 수 있다. 전압이 불안하다면 염다리가 잘못되었기 때문에 거름종이를 KCl용액에 다시 담그던가 제대로 장치 해 줘야 한다. 전압을 측정하고 난 뒤, 두 질산염 용액에다가 암모니아수를 소량 넣어주었는데, 질산구리용액에 넣어주었을 경우에는 앙금이 생성되어 이동되는 전자의 수가 줄어들어 측정 전압보다 떨어지게 되었고, 질산아연용액에 넣어주었을 경우에는 [Zn(NH3)4]2+의 착이온이 형성되어 이온간의 이동이 원활하게 되어서 전압이 올라가게 되었다.
다이엘 전지 만들고 난 뒤, 시간이 지날수록 산화 환원 반응에 의해 구리판 표면에는 Cu2+이온이 환원되어 구리로 석출 된다. 그래서 점점 전압이 떨어지게 되고, 이온간의 화학적 평형상태가 되면 화학전지의 기능을 상실하게 된다.
화학전지의 성능을 높이기 위해서는 두 금속의 이온화 경향이 큰 금속을 사용하면 되고, 아연판과 구리판을 재사용 할 경우에는 두 금속판을 사포로 문질러 주게 되면 불순물이 제거된다.
우리가 쉽게 실험으로 알아볼 수 있는 전지로 볼타전지가 있는데, 볼타 전지와 다니엘전지의 차이점은 염다리의 유무와 수소기체의 발생 유무가 있다. 볼타전지는 염다리가 없고, 반응의 결과로 수소 기체가 발생되므로 다니엘 전지보다 성능이 떨어진다.
염다리의 조건
염다리를 만들 때에는 반쪽 전지의 전극 반응에 영향을 주지 않는 KCl, Na2SO4, KNO3과 같은 염을 사용해야한다. 염다리에 사용한 염의 성분이 전해질과 반응하여 앙금을 생성하거나 전해질에 사용한 염의 성분이 전극 반응에 참여하는 경우에는 그 염은 사용할 수 없다.
[화학실험보고서] 화학전지 – 농도에 따른 기전력 변화를 측정해 보고 이를 네른스트 식을 이용해서 이론적으로 계산한 수치와의 비교
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리포트 > 자연과학 > 화학실험보고서
화학실험보고서 – 화학 전지 실험
화학 전지
실험목적
⇨ 화학전지인 다니엘 전지를 만들어 보고 두 전극 간에 전위차를 측정한다.
이론
표준 전극 전위: 25℃ 1기압에서 산화-환원 반쪽 반응에 참여하는 모든 화학종의 활동도가 1일 때 전위이며, 대부분의 경우 환원반쪽 반응에 대한 표준 환원 전위로 나타낸다.
표준 환원 전위: 표준 수소 전극과 환원이 일어나는 반쪽 전지를 결합시켜 만든 전지에서 측정한 전위를 말한다.
전극(반전지)
전극 반응
표준 전극 전위E°[V vs. SHE]
산성 용액
Li+｜Li
Li++e–⇌Li
-3.045
K+｜K
K++e-⇌K
-2.925
Co2+｜Co
Co2++2e-⇌Co
-0.277
Ni2+｜Ni
Ni2++2e-⇌Ni
-0.25
Sn2+｜Sn
Sn2++2e-⇌Sn
-0.136
Pb2+｜Pb
Pb2++2e-⇌Pb
-0.126
H+｜H2｜Pt (표준 수소 전극)
2H++2e-⇌H2
Ag+｜Ag
Ag++e-⇌Ag
0.7991
Pt2+｜Pt
Pt2++2e-⇌Pt
약 +1.2
Cl-｜Cl2｜Pt(염소 전극)
Cl2+2e-⇌2Cl-
1.3595
염기성 용액
SO42-, SO32-｜Pt
SO42-+H2O+2e-⇌SO32-+2OH-
-0.93
OH-｜H2｜Pt
2H2O+2e-⇌H2+2OH-
-0.82806
OH-｜O2｜Pt
O2+H2O+4e-⇌4OH-
0.401
MnO4-｜MnO2｜Pt
MnO4-+2H2O+3e-⇌MnO2+4OH-
0.588
….
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