화학전지


1.introduction
화학에너지를 전기에너지로 이용할 수 있게 해주는 장치가 바로 화학 전지이다. 화학 전지의 원리는 원소마다 전자를 원하는 정도가 다르다고 하는 데 있다. 즉, 이온화 에너지와 전자 친화도, 그리고 이 둘을 모두 고려한 전기 음성도에 따라서 금속마다 전자와 결합하려는 정도가 차이가 난다. 이러한 성질을 이용하여 전지를 구성하여 그 전위차를 측정하고 그 전위차가 어떤 요소에 의해 영향을 받는지 탐구한다. 그리고 공유결합, 이온결합, 전해질 등의 물질이 전류를 통하는지 살펴본다. 마지막으로 다니엘 전지로부터 잘 녹지 않는 염의 용해도 곱 상수를 구해본다.

2.protocol
실험A
1.연과 구리 반쪽 전지를 염다리로 연결하여 다니엘 전지를 만든다. 양쪽 모두 0.1M 용액을 사용하여 전위차를 측정하고 예상한 값과 비교한다.
2.Cu(NO3)2 용액을 10씩 묽혀서 0.01 M, 0.001 M 용액을 만든다. 이용액을 각각 0.1M Zn(NO3)2 용액과 연결하여 다니엘 전지를 만든후 .전위값을 측정하고 예상한 값과 비교한다. 묽힌 용액으로 전극을 잘 씻어준 다음에 전위를 측정하는 것이 좋다.
3.각각에 대하여 0.0592 log(농도)를 x-축으로 전위를 y-축으로 그래프를 그린 다음 기울기의 역수로부터 관련된 전자의 수를 구한다.

실험C
1. 다음과 같은 다니엘 전지를 만든다. 0.xxxM Ag(NO3)와 0.020M Zn(NO3)2용액의 부피는 50ml로 한다.
Zn(s)|Zn2+(aq)||Ag+(aq)|Ag(s)
2. 만든 전지의 전압을 측정하고 계산값과 비교해 본다.
3. 오른쪽 반쪽 전지의 Ag(NO3)용액에 KCl(s)를 첨가하면 AgCl(s)침전이 생성될 것이다. 최종 [K+]가 0.030M 이 되도록 한다.
4. 전압을 측정한다.
5. 실험 결과로부터 AgCl 의 Ksp 값을 구해보고 문헌 값과 비교한다.

3theory
◎ 볼타전지…(생략)

(Voltaic cell)
이탈리아의 A.볼타에 의해서 1800년에 발명된 1차 전지.
아연과 구리를 묽은 황산액에 잠기게 하면, 아연은 마이너스(－)로, 구리는 플러스(＋)로 대전하며, 양자를 리드선으로 이으면 전류가 흘러 전지가 된다. 사용하지 않을 때라도 아연극은 끊임없이 부식용해하고 또한 편극(偏極)도 크므로 오늘날에는 쓰이지 않는다. 그러나 최초의 1차 전지로서 전기화학의 발전에 공헌한 바가 크다. 또한 화학전지를 일반적으로 볼타전지라 부르는 경우가 있다.
◎ 다니엘전지 (Daniell cell)
영국인 J.F.다니엘(1790～1845)이 1836년 발명한 1차전지.황산아연 용액 속에 넣은 아연을 음극, 황산구리 용액 속에 넣은 구리를 양극으로 하며 두 용액을 염류(鹽類) 용액으로 이어서 만든 전지이다. 전지로서의 구성은 (＋)Cu｜CuSO4｜ZnSO4｜Zn(－)이며, 회로를 닫으면 양극에서 Cu2+＋2e-→Cu, 음극에서 Zn→Zn2+＋2e-(e-는 전자)의 반응이 일어나 전류가 흐르는데 기전력은 1.10 V 정도이다. 비교적 장시간 쓸 수 있고, 전압의 동요나 불쾌한 기체의 발생이 없으므로 이전에는 전신용 전원으로 많이 이용되었으나, 현재는 사용되지 않고 있다.
이 전지처럼 금속 M1, M2와 각각의 염 M1X1, M2X2를 M1｜M1X1｜M2X2｜M2형으로 배치한 전지를 다니엘형 전지라고 한다.

◎ 산화 환원 酸化還元 (oxidation-reduction)
예전에는 산소와 다른 물질이 화합하는 현상을 산화, 그것과 역으로 산화화합물로부터 산소원자를 빼앗는 화학변화를 환원이라고 하였으나, 그후 많은 현상의 발견, 개념의 변천확장 등에 의하여 다음과 같은 현상을 말하게 되었다. 좁은 뜻에서는 어떤 물질과 산소가 화합하는 것, 즉 산소수가 증가하는 것, 또는 그 물질에서 수소를 떼어내는 것을 산화라고 한다.
예를 들면, 공기 중에서 탄소나 황을 연소시키는 것은
C＋O2 → CO2
S＋O2 →