2. 화학전지
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 [1]
Volta전지
*1. 전자의 이동에 의한 산화, 환원반응
*2.
화학에너지 ☞ 전기에너지로 전환시킨 장치
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☆
전지의 원리
※이온화 경향 큰 금속(A) ; 전자
잃고 양이온 ☞ (-)극
A -
e- ―→ A + (산화)
※
이온화 경향 작은 금속 : 전자 얻어 ☞ 용액 중의 양이온을 단체로 석출 시킴
☞ (+)극
C+
+ e- ―→C (환원)
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※ 전지의 구조 표시법
(-)극
(이온화 경향 큰 금속) ┃ 전해질용액┃ (-)극(이온화 경향 작은 금속)
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(1)
볼타가 실험한 전지
(가) 구조 ☞ (-)극, Zn?d-H2SO4―→Cu,(+극)
즉,
묽은 황산에 아연판과 구리판을 담그고 도선으로 연결한 전지 
(나) 극변화
(-)극(Zn판)
☞ Zn ―→ Zn+2 + 2e-
(산화)
(+)극(Cu판)
☞ 2H+ + 2e-
―→ H2↑(환원)
---------------------------------
전체변화
☞ Zn +2H+
―→ Zn+2 + H2↑
(다) Volta전지의 기전력
= 1.3V(이내 기전력이 0.4V로 떨어짐)
(라) 원인 ☞ 분극작용 : (+)극에서 발생한 수소기체가 전류의 흐름을
방해하는 현상
(마) 소극 제 (감극제)
: 분극 현상을 막기 위해 H2를
산화제로 산화하여
물로 만들 수 있는 물질
(예) 소극제
; MnO2, PbO2, H2O2, K2Cr2O7등
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(2) 다니엘 전지
(가) 구조 : (-)극,Zn ┃ZnSO4 ∥
CuSO4 ┃Cu(+극)
※
염 다리 ; 두 용액을 혼합치
않고 이온을 이동시키는 장치 (KCl, KNO3,NH4NO3 등의
진한
수용액을 채움) ☞ 이온의 통로
(나) 극 변화
(-)극
(Zn판) ☞ Zn -2e-
→ Zn+2(산화;Zn판 질량감소)
(+)극
(Cu판) ☞ Cu+2
+2e-→ Cu (환원;Cu판 질량증가)
-------------------------------------------
전체변화
☞ Zn+Cu+2
→ Zn+2+ Cu(기전력=1.10V)
(다) 특성 ; 분극현상이
없고 충전 가능 한 이차전지 |
(3)
건전지
(가) 전지의 구조:
(-)극, Zn ┃NH4Cl ┃ MnO2, C,(+)극
(나) 극 변화
(-)극(Zn판)
: 2Zn → 2Zn+2 + 4e-
2Zn+2
+8NH4+→
2[Zn(NH3)4]+2+8H+
(+)극(C봉)
: 4H+ +4e-
→ 4H
3MnO2
+ 4H → Mn3O4
+2H2O
-------------------------------------------------------
전체반응: 2Zn+8NH+3MnO → 2[Zn(NH3)4]+2+Mn3O4+2H2O+4H+
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 (4) 알칼리 전지
(가) 전지 구조 : Zn｜ KOH｜ MnO2, C {E0=1.45V}
※ 일반 건전지 전해액 NH4Cl
대신에 전해액으로
강알칼리인 KOH를
사용하므로
Zn판의 산화속도를
느리게 하여 수명이 길다
(나) 극 변화 :
(-)극반응:
Zn(s)+2OH-→ ZnO(s) +H2O(l)
+ 2e-
(+)극반응:
2MnO2(s) +2H2O(l)+2e-→
2MnO(OH) +2OH-(aq)
(다) 특징 : ① 수명이
길다.
②
(-)극으로 아연을 사용하는데 전지 안에 있는 아연을 식물이 흡수하면
철이 모자라게
되어 잎이 황 백화 되고,
사람이 흡수하게 되면 피부가 나빠지고, 탈모나
구토 증세가
나타나므로
사용 후 처리에 주의해야 한다. (환경보호)
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(5) 납 축전지
(가) 전지의
구조 ; Pb?H2SO4(27-34%)?PbO2*
(기전력 2V)
(나) 극 변화
①
방전반응 ; Pb극(-극)과 PbO극(+극)을 도선으로 연결 ☞전류가 흐름
2H2SO4
→ 4H+
+ 2SO4+2
(-)극(Pb판)
: Pb+SO4-2
→ PbSO4 +2e-
(+)극(PbO2판)
: PbO2+4H++SO4-2→PbSO4+2H2O
--------------------------------------------
전체반응
: Pb+PbO2+2H2SO4
→ 2PbSO4(회)백색
+ 2H2O
※방전에
의해 (+),(-)극이 모두 PbSO4(질량증가)로 변함
② 충전반응 ; 2V의 납축전지는 방전에
의해 H2SO4농도
감소하고 전극이 회백색의 PbSO4로
변해 기전력 감소 ☞
방전반응의
역 방향으로 전류를 통해
주면 원래 상태로
되
돌아 가는 현상(충전)
※
H2SO4 →
2H+ + SO4-2
(-)극
; PbSO4+2H++2e-
→ Pb + H2SO4
(+)극
; PbSO+SO4-2+2H2O
→PbO2+2H2SO4+2e-
----------------------------------------------
전체반응;
2PbSO4 + 2H2O
→Pb + PbO2+
2H2SO4
∴
충전과 방전은 가역 반응 ☞ 가역 전지
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|
※
실용 전지의 모형
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(5) 연료 전지
* 일반전지 : 화학에너지
저장 ☞
전기에너지
* 연료전지 : 화학에너지
☞
바로 전기에너지로 전환
① 기체(수소, 산소)연료의
산화, 환원의 화학적 에너지 ? 전기 에너지로 전환
② 2H2
+ O2 → 2H2O(연소시 폭발적 반응) *순식간에 에너지가 방출
③ 기체 연료를 다공성 탄소 전극을 통과시켜 서서히 반응시킴
④ 전해액으로 수산화
칼륨(KOH)사용
⑤ 가볍고, 열 효율이
크다.(우주선에 사용)
⑥ 극 변화
(-)극
: 2H2 + 4OH- → 4H2O + e-
(+)극
: 2H2O + O2 + 4e-
→ 4OH-
전체반응
: 2H2 + O2 → 2H2O 
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4. 전극 전위
[1] 표준 전극 전위 = E0로 표시
* 이온화 경향의 크기를 수치로
표시한 값
(1) 표준 수소 전극 전위
25℃,1atm의
H2기체를 1몰의
산성용액(H+)에서 백금
판(Pt
판)에 접촉시켜 만든 반 전지
H2(25℃,1atm)
↔ 2H+ + 2e-
(E0= 0.00V)
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수소
반 전지 |
표준
전극 전위 |
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(2)
표준 전극 전위
표준 수소
전극과 연결하여 측정한 반 전지의 전위(전압)
(가) 표준 산화 전극
전위(-S.R.P)
Zn(s)
- 2e- → Zn+2(산화)의 반 전지를 수소 반 전지와 짝지어 측정한
전지의 전위(전압)
☞ 0.76V
(산화
반 반응) ; Zn(s) → Zn+2+
2e, E0 = 0.76V (-SRP)
(환원
반 반응) ; 2H+ + 2e- →
H2, E0 =
0.00V (SRP)
---------------------------------------
전체반응
; Zn(s) + 2H+ → Zn+2 +
H2, E0=0.76V 
(나) 표준 산화 전위(-SRP)와
표준 환원 전위(SRP)는 절대값 같고 부호 반대
(예)
Zn - 2e- → Zn+2(산화)
E0(-SRP) = 0.76V
Zn+2+
2e- → Zn (환원) E0(SRP)
= -0.76V
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(3) 이온화
경향 ; 금속의 산화 경향의 순(전자 잃기 쉬운 정도)
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K |
Ca |
Na |
Mg |
Al |
Zn |
Fe |
Ni |
Sn |
Pb |
H |
Cu |
Hg |
Ag |
Pt |
Au |
-SRP |
|
|
|
|
|
0.76 |
|
0.13 |
|
|
0.00 |
-0.34 |
|
-0.80 |
|
|
SRP |
|
|
|
|
|
-0.76 |
|
-0.13 |
|
|
0.00 |
0.34 |
|
0.80 |
|
|
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(예) Zn +
Cu+2 → Zn+2 + Cu, E0 = 1.10V
E0
= -SRP + SRP = 1.10V
=
-(-0.76V) + SRP(Cu+2) =1.10V
∴
SRP(Cu+2) =1.10 - 0.76 = 0.34V
(문) 2Ag+
+ Cu → 2Ag + Cu+2
E0 =
-SRP(Cu) + SRP(Ag)
=
-0.34 + 0.80 = 0.46V
(문) Fe + 2Ag →
Fe+2 + 2Ag, E0 = 1.24V
E0
= -SRP(Fe) + SRP(Ag+)
=
-(-0.44) + SRP(Ag+) = 1.24V
∴
SRP(Ag+) = 1.24 - 0.44 = 0.80V
[2] 산화 환원 반응의 예측
E0
= -SRP + SRP의 값 ☞ (+)
; 정반응이 쉽다
(-)
; 역반응이 쉽다(정반응 일어나지 않음)
(예) Zn +
Cu+2 의 반응은 일어 나는가?
Zn
→ Zn+2 + 2e-,
-SRP(Zn+2) = +0.76V
Cu+2
+ 2e- → Cu, SRP(Cu) = +0.34V
--------------------------------
Zn
+ Cu+2→ Zn+2+
Cu, E0 = 1.10V(정반응 가능)
(예) Pb +
Zn+2 의 반응은 일어 나는가?
Pb
→ Pb+2 + 2e-, -SRP(Pb+2)
= +0.13V
Zn+2
+ 2e- → Zn SRP(Zn) = -0.76V
---------------------------------
Pb
+ Zn+2↔ Pb+2+
Zn, E0=-0.63V(정반응불가)
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[3] 이온화 경향 서열과 금속의 반응성
(1) 이온화 경향 서열;
①
전자를 잃고 양 이온 되기 쉬운 척도.
②
표준 환원 전위(E0)의
값이 작은 것의 순으로 나열
*
반응의 예측 ☞ ㉮전체반응의 E0의
크기
㉯
이온화 경향의 크기 이용
(예) 이온화 경향이
큰 금속을 작은 금속의 이온 용액 속에 담그면 ☞큰 금속은 녹아서
양
이온이 됨, 작은
금속 이온☞ 금속(단체)으로 석출
|
(2) 금속의
이온화 경향과 화학적 성질
이온화 경향
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K, Ca, Na,
Mg, Al, Zn, Fe,
Ni, Sn, Pb, H, Cu,
Hg, Ag, Pt, Au |
산소와 반응 |
쉽게
산화┃ 서서히
산화 ┃
산화 않됨 |
물과의 반응
|
냉수와반응 ┃ 고온에서
반응 ┃ 반응치
않음 |
산과의 반응 |
모든
산과 반응 ┃산화성에
용해 ┃왕수 녹음 |
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