1) 전지 : 자발적인 산화 환원 반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치
2) 전지의 구조
① 산화 반응이 일어나는 부분과 환원 반응이 일어나는 부분이 직접 접촉하 지 않도록 만듦
② 산화 반쪽 반응에서 생긴 전자 → 외부 도선 → 환원 반쪽 반응이 일어나는 곳으로 이동
양극 : 산화가 일어나는 전극 : (-)극 → 이온화 경향이 큰 금속
음극 : 환원이 일어나는 전극 : (+) 극 → 이온화 경향이 작은 금속
③ 반쪽 전지 : 산화 . 환원 반응이 일어나는 각 부분 금속 . 금속 양이온으로 구성
④ 염다리 : 용액과 용액이 서로 섞이는 것을 방지하고 이온만 이동 시킴
⑤ 전지의 표시
Zn │ Zn ∥ Cu │ Cu
산화전극 염다리 환원전극
(양극,(-)극) 음극, (+)극
전극 전위
1) 기전력 : 전지의 전압
(측정시 외부도선에 전류가 흐르지 않을 때 : 최대 전압)
표준 기전력 : 용액의 농도가 1몰농도이고 1기압에서의 기전력
2) 전극 전위 : 반쪽 전지에 대한 위치에너지의 높이에 해당하는 양
① 전극 전위가 작은 반쪽 전지 : (-)극 → 산화
② 전극 전위가 높은 반쪽 전지 : (+)극 → 환원
③ 전자의 이동 : 전위가 작은 (-)극에서 높은 (+)극으로 이동
④ 전류의 이동 : 전위가 큰 (+)극에서 낮은 (-)극으로 이동
3) 표준 수소 전극 전위 : 수소 기체의 압력이 1기압이고 H+의 농도가 1M 인 수소 전극의 전위 = 0
4) 표준 전극 전위
① 표준 수소 전극에 금속이온│ 금속 의 반쪽 전지를 연결하였을 때 반쪽 전지의 전극 전위 (금속 이온의 농도가 1M)
②
③ 표준 전극 전위는 보통 표준 환원 전위로 표시. 표준 수소 전극과 연결하여 측정한 반쪽 전지 전위를 환원 반응의 형태로 나타냈을 때의 전위
* 값이 클 수록 환원 반응이 잘 일어남 (산화력이 강함)
*.값이 큰 물질일수록 (+)극이 된다
④ 표준 기전력(Eo)의 계산
Zn2+ │ Zn ∥ Cu2+ │ Cu 에서의 표준 기전력
Cu2+ + 2 e- → Cu Eo = + 0.34 V (1)
Zn2+ + 2 e- → Zn Eo = - 0.76 V (2)
전체 반응이 Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+ 이므로
(1) - (2) 식하면
∴ Eo = + 0.34 V - (-0.76 V ) = 1.1 V
실용 전지
1) 볼타 전지
① 전지의 반응
(-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e- (산화)
(+)극 : 2 H+(aq) + 2 e- → H2(g) (환원)
② 분극 현상 : (+)극판인 구리판 표면에서 발생하는 수소 기체로 인하여 H+의 환원 반응이 방해 받아 기전력이 떨어지는 현상③④⑤
. 소극제(감극졔) : 분극 현상을 없애기 위해 넣어주는 산화제
(수소기체를 산화켜 물로)
: 이산화망간, 과산화수소 , 과망간산칼륨
. 전지에서 H2가 발생하여 역반응이 불가능하여 충전이 불가능한
1차 전지이다
2) 다니엘 전지
① 전지의 반응
(-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e- (산화)
(+)극 : Cu(aq) + 2 e- → Cu(s) (환원)
전체반응 : Cu2+(aq) + Zn(s) → Cu(s) + Zn2+(aq)
② 염다리 : 두 전해질이 섞이지 않게 하고 이온이 이동하여 전해질용액에서의 이온화 평형을 이루어 일정한 기전력이 유지되게 함
③ 반응이 진행됨에 따라 Zn극의 질량은 감소하고 Cu 극판의 질량은 증가
3) 납 축전지
① 전지의 반응
(-)극 : Pb(s) + SO42-(aq) → PbSO(s) + 2 e-
(+)극 : PbO(s) + 4 H+ (aq) + SO42-(aq) + 2 e-
→ PbSO4(s) + 2 H2O(l)
방전
전체반응:Pb(s) +2H2SO4(aq) + PbO2(s) 2PbSO4(s) + 2H2O(l) 충전
② 방전이 일어나면 (+)극과 (-)극의 질량이 모두 증가하고 황산의 농도는 감소한다
③ 납 축전지는 기전력이 떨어질 때 충전이 가능한 2차 전지 이다
4) 건전지
① 전지의 반응
(-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-
(+)극 : 2NH4+(aq) + 2MnO2(s) +2e- →
Mn2O3(s) + H2O(l) + 2 NH3(aq) ②
② 건전지는 MnO2 가 소극제로 사용되므로 분극 작용이 나타나지 않고
기전력이 비교적 일정하게 유지된다
전기 분해
1) 전기 분해 : 산화와 환원 반응을 이용하여 전지에너지를 화학에너지로 바꾸어 물질을 분해하는 반응
2) 전극 - 백금이나 흑연과 같이 전기 분해할 용액이나 전해질에 의해 침식되지 않는 재료를 이용 - 전지와 직렬연결 - 전지는 전자펌프의 역할
① 양극 : 전자를 잃는 전극 - (+)전하를 띰 : 산화 반응이 일어나는 전극
② 음극 : 전자를 얻은 전극 - (-)전하를 띰 : 환원 반응이 일어나는 전극
3) 전기분해를 통하여 우리가 필요로 하는 물질을 얻을 수 있다
① 환원되기 어려운 이온이나 산화되기 어려운 이온을 포함한 수용액에서는 물이 산화 환원되어 수소와 산소로 분해
※ 산화시킬 수 없는 이온 ; F-, SO42- , CO32- , PO43- , NO3- 등
※ 환원시킬 수 없는 이온 : Li+ , Na+ , K+ , Mg2+ , Ca2+ , Ba2+ , Al3+
음극 : 2 H2O(l) + 2 e- → 2 OH- + H2 (환원)
양극 : 2 H2O(l) → O2 + 4 H+ + 4 e- (산화)
전체 반응 : 2 H2O(l) → 2 H2 + O2
② 환원되기 어려운 이온이나 산화되기 어려운 이온을 포함한 화합물은 용융 전기 분해하여 원하는 물질을 얻을 수 있다
2 NaCl(l) -----------> 2 Na + Cl2
음극 : 2 Na+ + 2e- → 2 Na (환원)
양극 : 2 Cl- → Cl2 + 2 e- (산화)
4) 전기분해의 공업적 이용
(가) 소금물의 전기 분해 → NaOH , Cl2 , H2
음극 : (환원) 2 H2O(l) + 2 e- → H2 + 2 OH-
양극 : (산화) 2 Cl- → Cl2 + 2 e-
전체반응 : 2 H2O(l) + 2 Cl- → H2(g) + Cl2(g) + 2 OH-(aq)
* H2 와 Cl2는 접촉하면 폭발적으로 반응 : 음극을 다공성 격막으로 둘러 싸야 함 (격막 용기)
(나) 전기 도금
① 도금할 물건 : 음극 → 표면애 금속이온이 환원 금속이 표면에 덮힘
② 도금 시키는 금속 : 양극
③ 도금 시키는 금속이 녹아 있는 전해액에 직류 전류를 통함
④ 은의 도금
음극 : 도금할 물건
양극 : 은
전해액 : K[Ag(CN)2] 용액
음극 : [Ag(CN)2]- + e- → Ag + 2 CN- (은이 환원)
양극 : Ag+ + 2 CN- → [Ag(CN)2]- + e- (은이 산화)
3) 페러데이 법칙
① 전기분해에 의해 생성 소모되는 양은 통해준 전하량에 비례
② 통해준 전하량이 일정할 때 얻어지는 물질의 양은 에 비례한다
③ 전하량(C) = 전류의 세기(A) × 시간(s)
④ 1F(패럿) : 전자 1몰의 전하량 = 1.60×10-19C × 602 ×10 23 = 96485C
: 전자 1개의 전하량 = 1.60×10-19C
⑤ 전기분해에서의 양적 관계
· 염화구리 수용액을 백금 전극을 사용 전기 분해
* 음극 : Cu2+ + 2e → Cu (환원)
* 양극 : 2 Cl- → Cl2 + 2 e- (산화)
· 음극에서 1몰의 전자에 의해 Cu2+ 1/2몰 환원
· 양극에서 1몰의 전자에 의해 Cl- 1몰이 산화전지
