화학전지 농도차와 갈바니 전지 실험 - hwahagjeonji nongdochawa galbani jeonji silheom

농도차 전지의 기전력. Cu|CuSO4

다음 농담 전지의 기전력은 얼마인가? (단, 양액의 계면 전위는 무시)

Cu|CuSO4(a=0.01)||CuSO4(a=0.1)|Cu (25℃)

---------------------------------------------------

산화: Cu(s) → Cu^2+(aq) + 2e^-

환원: Cu^2+(aq) + 2e^- → Cu(s)

---> n = 2

양쪽 전극이 같으므로, E° = 0

a = 활동도 ≒ 몰농도
( 설명 https://ywpop.tistory.com/2684 )

25℃에서, 농도차전지의 Nernst 식

( 식 설명 https://ywpop.tistory.com/4206)

E = E° - 0.05916 V / n log(묽은 농도/진한 농도)

= 0 – (0.05916/2) * log(0.01/0.1)

= +0.02958 V

답: +0.02958 V

[참고] 농도가 낮은 반쪽 전지가 산화 전극(anode).
[ 설명 1 https://ywpop.tistory.com/9626 ] 농도차 전지.
[ 설명 2 https://ywpop.tistory.com/3072 ] 볼타 전지 간단 표기법, cell diagram.

1. 실험 주제 : 화학전지 및 농도차 전지

2. 실험 목적 : 산화․환원 반응을 이용한 화학전지의 원리를 알고 금속판을 이용하여
전지를 구성해 본다.

3. 실험 기구 및 시약 조사
(1) 실험 기구
- 아연판, 구리판, 염다리, 구리도선(50Cm), 직류전도계(0.1V), 사포,

(2) 실험 시약
① 1M Zn(NO3)2 (M.W=297.69)
- 297.47×0.1 = 29.747 100mL 메스플라스크에 Zn(NO3)2 29.747g을 넣고
증류수를 표선까지 채운다.
② Cu(NO3)2 (M.W=187.56)
- 2가의 구리인 질산구리(Ⅱ)만이 알려져 있다. 20.5℃ 이하에서는 구수화물이, 20.5∼24.5℃에서는 육수화물, 24.5℃ 이상에서는 삼수화물이 얻어진다. 육수화물·삼수화물은 모두 조해성(潮解性)이 있는 청색 결정이다. 물·에탄올에 잘 녹는다. 삼수화물에 진한 질산과 오산화이질소를 가하면 백색 또는 녹백색을 띤 무수물이 얻어진다. 산화구리 또는 탄산구리를 묽은 질산에 인 용액에서 결정시키면 수화물이 얻어진다. 수화물은 청색이며 가열하면 질산을 잃고 염기성으로 된다.
③ KCl (녹는점 776℃, 끓는점 1500℃, 비중 1.989)
- 순수한 것은 조해성이 없으나 알칼리 토류염을 함유하므로 흡습성이 있으며 물에 잘 녹고, 용해도는 20℃에서 물 100g에 34.0g이다.
④ 염다리(Salt Bridge)
- 물 150mL에 45g의 KCl과 5.5g 한천을 녹여 용액이 맑아질 때까지 가열한 뒤 용액을 U자관에 붓고 식혀서 만든다. 포화 KCl 용액에 보관한다.

4. 실험 이론
(1) 산화-환원 반응
....

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[자연과학] 화학전지 및 농도차 전지화학실험결과

1. 실험 주제 : 화학전지 및 농도차 전지

2. 실험 목적 : 산화환원 반응을 이용한 화학전지의 원리를 알고 금속판을 이용하여
전지를 구성해 본다.

3. 실험 기구 및 시약 조사
(1) 실험 기구
– 아연판, 구리판, 염다리, 구리도선(50Cm), 직류전도계(0.1V), 사포,

(2) 실험 시약
① 1M Zn(NO3)2 (M.W=297.69)
– 297.47×0.1 = 29.747 100mL 메스플라스크에 Zn(NO3)2 29.747g을 넣고
증류수를 표선까지 채운다.
② Cu(NO3)2 (M.W=187.56)
– 2가의 구리인 질산구리(Ⅱ)만이 알려져 있다. 20.5℃ 이하에서는 구수화물이, 20.5∼24.5℃에서는 육수화물, 24.5℃ 이상에서는 삼수화물이 얻어진다. 육수화물·삼수화물은 모두 조해성(潮解性)이 있는 청색 결정이다. 물·에탄올에 잘 녹는다. 삼수화…

1. 실험 주제 : 화학전지 및 농도차 전지

2. 실험 목적 : 산화?환원 반응을 이용한 화학전지의 원리를 알고 금속판을 이용하여
전지를 구성해 본다.

3. 실험 기구 및 시약 조사
(1) 실험 기구
– 아연판, 구리판, 염다리, 구리도선(50Cm), 직류전도계(0.1V), 사포,

(2) 실험 시약
① 1M Zn(NO3)2 (M.W=297.69)
– 297.47×0.1 = 29.747 100mL 메스플라스크에 Zn(NO3)2 29.747g을 넣고
증류수를 표선까지 채운다.
② Cu(NO3)2 (M.W=187.56)
– 2가의 구리인 질산구리(Ⅱ)만이 알려져 있다. 20.5℃ 이하에서는 구수화물이, 20.5∼24.5℃에서는 육수화물, 24.5℃ 이상에서는 삼수화물이 얻어진다. 육수화물·삼수화물은 모두 조해성(潮解性)이 있는 청색 결정이다. 물·에탄올에 잘 녹는다. 삼수화물에 진한 질산과 오산화이질소를 가하면 백색 또는 녹백색을 띤 무수물이 얻어진다. 산화구리 또는 탄산구리를 묽은 질산에 인 용액에서 결정시키면 수화물이 얻어진다. 수화물은 청색이며 가열하면 질산을 잃고 염기성으로 된다.
③ KCl (녹는점 776℃, 끓는점 1500℃, 비중 1.989)
– 순수한 것은 조해성이 없으나 알칼리 토류염을 함유하므로 흡습성이 있으며 물에 잘 녹고, 용해도는 20℃에서 물 100g에 34.0g이다.
④ 염다리(Salt Bridge)
– 물 150mL에 45g의 KCl과 5.5g 한천을 녹여 용액이 맑아질 때까지 가열한 뒤 용액을 U자관에 붓고 식혀서 만든다. 포화 KCl 용액에 보관한다.

4. 실험 이론
(1) 산화-환원 반응
자를 얻으려는 힘과 환원제가 전자를 내 주려는 힘. 즉, 산화력과 환원력의 경쟁으로 결정된다.
– 산화 (Oxidation) : 어떤 원자가 전자를 잃어버리는 반응
– 환원 (reduction) : 어떤 원자가 전자를 얻는 반응
산화에서의 산화수의 변화는 이온인 경우는 양전하의 증가, 음전하의 감소로 나타나는데 어느 경우이든 그것은 전자를 방출하는 반응이 산화가 된다. 예를 들면, C+O2 → CO2 에서는 C의 산화수 0 및 O의 산화수 0인데, CO의 C에서는 ＋4, O의 산화수 －2인 사실에서 C는 산화되고, O는 환원되어 있다. 예를 들면, 아연을 묽은 황산에 녹일 때의 반응은 Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2 이며, Zn은 Zn2+가 되어 양전하가 증가하고 있으므로 산화이다.

※ 산화수 : 화합물을 구성하는 각 원자에 전체 전자를 일정한 방법으로 배분하였을 때, 그 원자가 가진 하전(荷電)의 수.
(2) 화학전지
전자의 이동으로 일어나는 산화?환원 반응에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어 전류를 얻는 장치
① 화학전지의 원리

– 이온으로 되려는 경향(이온화 경향)이 다른 두 금속을 전해질용액에 꽂고 두 금속을 도선으로
연결하면 전류가 흐름.
– 이온화 경향이 큰 금속 (－극) → 전자를 내놓는다 (산화)
– 이온화 경향이 작은 금속 (＋극) → 전자를 받는다 (환원)
– 전자의 이동 방향 (－)극 → (＋)극
– 전류의 이동 방향 (＋)극 → (－)극
② 전지의 기전력
– 기전력 : 전지에서 두 전극간의 전압 차, 두 전극 사이에서 전류가 흐리게 하는 전기적 압력
– 두 전극의 이온화 경향의 차(전극 전위의 차)가 클수록 기전력은 크다
ex) (-)극 :
(+)극 :
∴ 기전력 E = 0.34 + 0.76 = +1.1V

(3) Nernst 방정식 – 비표준 상태에서 반응물, 생성물의 농도와 전지기전력 사이의 관계식
① 전기에너지 = 전압(V) × 쿨롱(C) = 줄(J)
총 전하 = nF (F(페러데이 상수) = 96,500 C/mol), 1J = 1C × 1V, 따라서
1F = 96,500 J/V?mol, 전기적인 일(Welec) = -nFE0cell 그러므로
△G = W = -nFEcell이고, 표준상태에서는 △G0 = W = -nFE0cell
표준환원전위는 표준상태에서만 적용되므로 농도에 따른 전위값의 변화를 알기 위해서는
Nernst 식을 이용한다.
㉠ 반쪽반응에 대한 Nernst 식

ⅰ. Eo = 표준환원전위
ⅱ. R = 기체상수 [ 8.314510 J/K?mol = 8.314510 V?C/K?mol]
ⅲ. T = 온도 (K)
ⅳ. n = 반쪽반응에 관여하는 전자수
ⅴ. F = Faraday 상수 ( 9.6485309×104 C/mol)
ⅵ. αi = 화학종 i의 활동도
∴ Nernst 식의 ln 항은 반응지수(reaction quotient) Q이다. ()
이 식은 평형상수와 같은 형태를 지니지만 평형이 아닌 경우에도 사용한다.
위의 Nernst 식에서 T=298.15K(25℃) 일 때 ln을 log로 바꾸면

많은 경우에 활동도 대신 농도를 사용하면 다음과 같이 쓸 수 있다.

㉡ 완전한 반응에 대한 Nernst 식
– 완전한 반응에 대한 Nernst 식은 다음과 같이 쓸 수 있다.

ex)
ⅰ. 오른쪽 전극: 2Ag+(aq) + 2e- → 2Ag(s) Eo = + 0.799V
ⅱ. 왼쪽 전극: Cd(s) → Cd2+(aq) + 2e- Eo = -0.402V
ⅲ. 오른쪽 전극의 Nernst 식

ⅳ. 왼쪽 전극의 Nernst 식:

전지전압 :
㉢ 농도전지에서 nernst 식
– 이온농도는 다르지만 같은 물질로 구성된 전지

– 르샤틀리에 원리에 따라서 더 진한 용액에서는 환원(Zn 석출)이 일어나고,
더 묽은 용액에서는 산화(Zn2+로 녹음)가 일어남
– 기전력은 Nernst 방정식의 마지막 logQ에 따라서 결정됨
ⅰ. 오른쪽 전극: Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s) Eo = -0.76V
ⅱ. 왼쪽 전극: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- Eo = -0.76V
ⅲ. 오른쪽 전극의 Nernst 식

ⅳ. 왼쪽 전극의 Nernst 식:

(4) 표준 전극 전위
① 표준 전극 전위(E°)
– 25℃, 1기압에서 반쪽 전지의 수용액의 농도가 1M일 때, 표준 수소전극을 (-)극으로 하여 얻은 반쪽 전지의 전위

전극에서 일어나는 환원반응을 기준으로 하고 있다. 전극의 Eo값을 결정하려면, 두 전극 사이의 전위차를 측정해야 한다. 표준 전극 전위를 측정하려면 전극과 SHE을 짝지은 전기 화학 전지에서의 전위차를 측정함으로써 이들 전극의 표준 전극 전위를 구할 수 있다.
㉠ 환원 반응이 일어날 때의 표준 환원 전위로 나타냄.
※ 표준 환원 전위 : 표준 수소전극과 비교하여 전자를 받아들이는 정도를 나타낸 값

Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au
작다 ◀————- 표준환원전위 ————-▶ 크다
크다 ◀————- 이온화 경향 ————-▶ 작다

㉡ 표준 환원 전위값이 (+)이면 수소 이온보다 환원되기 쉽고, (-)이면 수소 이온보다 환원되기 어렵다. 즉 표준 환원 전위값이 클수록 환원되기 쉽고, 작을수록 산화되기 쉽다.
㉢ 산화 반응의 전위는 표준 환원 전위와 절대값은 같고, 그 부호만 반대이다.
㉣ 자발적인 반응의 방향 예측
Eocell > 0 : 정반응 방향으로 자발적 반응이 일어난다.
Eocell = 0 : 반응은 평형을 이룬다.
Eocell<0 : 역반응 방향으로 자발적 반응이 일어난다.

② 표준 수소 전극 (Standard Hydrogen Electrode, SHE)
: 25℃에서 1M의 H+용액이 접촉하고 있는 1기압의 수소 기체로 이루어진 반쪽 전지가 나타내는 전위차를 0.00V로 정하는데, 이것을 표준 수소 전극 이라하며 모든 표준 전극 전위의 기준이 된다.

③ 은-염화은 전극 (SSCE: Silver-Silver Chloride Elrectrode)
– 가장 많이 시판되는 기준전극. 염화은으로 포화된 염화칼륨용액 속에 잠긴 은 전극으로 이루어진 것 Ag｜AgCl(sat`d), KCl(xM)∥ 반쪽반응은 AgCl(s) + e- → Ag(s) + Cl- 보통, 포화 또는 3.5M 염화칼륨 용액 중 어느 하나로 만들어 모양면에서 칼로멜전극과 비슷하지만 이 전극에서는 내부관에 염화은층으로 입혀져 있는 은선이 들어있고 선은 염화은으로 포화된 염화칼륨용액에 담겨 있다 은-염화은 전극은 60℃ 이상의 온도에서 사용할 수 있고 반면에 칼로멜전극은 이러한 온도에서 사용할 수 없음

Cl-이 1mol이 녹아 있을 경우,E=0.222V가 되므로 표준 수소전극에 비해0.222V가 높다.

④ 포화 카로멜 전극 (SCE: Saturated Calomel Electrode)

– 염화수은(I)(Hg2Cl2, calomel)으로 포화되어있고, 또한 일정한 농도의 염화칼륨을 포함하는 용액에 수은을 넣어서 만든다. 카로멜 반쪽-전지는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Hg｜Hg2Cl2(sat`d), KCl(xM) ∥ x: 용액 중에 있는 염화칼륨의 몰농도
이 반쪽전지의 전극전위는 다음 반응에 의해 결정 Hg2Cl2(s) + 2e- = 2Hg(l) + 2Cl-
전지의 전위는 염화이온의 농도에 따라 달라진다. 세가지 종류의 카로멜전극이 있는데 각 용액은 염화수은(I)으로 포화되어 있으며, 염화칼륨 농도만 서로 다르다.

염소이온1mol이 녹아 있을 경우 ,E=0.244로 포화 카로멜 전극은 표준 수소전극에 비해서 0.244V가 높다.

(5) 갈바니 전지 – Galvanic Cell
– 자발적인 화학반응(산화?환원반응)으로부터 전기를 발생시킨다.
① 볼타 전지

(－)극 → Zn판 Zn → Zn2＋＋ 2e-…… 산화 (질량감소)
(＋)극 → Cu판 2H＋＋ 2e- → H2 …… 환원 (질량불변)
—————————————————-
아연은 전자를 내놓고 아연 이온이 되어 용액 속으로 녹아 들어간다.
(Zn → Zn2+ + 2e- Zn2+), 전자 (e-)는 아연판에서 도선을 따라 구리판으로 이동한다. 구리판에서는 황산에서 나온 H+가 H2로 환원된다.
? 분극현상
– 구리표면에서 발생한 H2가 수소이온의 접근[2H＋＋ 2e- → H2]을 방해하여 기
전력이 떨어지는 현상. [1.1V → 0.4V]
? 감극제(소극제)
– 수소를 제거하여 분극을 막아주는 산화제 이산화망간, 과산화수소, 중크롬산칼륨 등
2MnO2 + H2 → Mn2O3 + H2

② 다니엘 전지 – 최초의 실용전지, 분극현상 제거
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-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.

(－)극 → Zn판 Zn → Zn2＋＋ 2e- …… 산화 (질량감소)
(＋)극 → Cu판 Cu2＋＋ 2e-→ Cu …… 환원 (질량증가)
——————————————————-
전체반응 Zn ＋ Cu2＋ → Zn2＋＋ Cu
㉠ 염다리 : 반쪽반응이 일어나는 각각의 실험장치에서 산화반응이 일어나는 곳과 환원반응이 일어나는 곳이, 직접 전자를 주고받지 못하게 이온을 분리시켜 주는 작용을 하는 역할을 수행한다. 염다리는 KCl이나 KNO3이 들어있어 (-)극에서 양이온이 증가할 때에는, 염다리의 Cl-, NO3-이 이동하고, (+)극에서 음이온이 증가할 때에는 염다리의 K+이 이동하여 이온의 균형을 맞추어 주는 역할을 수행한다. 즉, 반응물이 분리되어 있어도 두 반쪽 전지 사이의 전기적 접촉을 유지하여 이온의 평형상태를 유지하여 전기적 중성도를 유지시킨다. (접속전위를 줄여준다.)

㉡ KCl과 KNO3를 사용하는 이유.
– K-, Cl-, NO3-의 이동도(mobility)가 거의 비슷하기 때문에 분리되어 있는 두 반쪽 전지 사이의 전기적 중성도를 유지할 수 있다.

(6) 농도차 전지
– 두 반쪽 반응이 같고, 각 반쪽 전지의 농도가 다른 갈바니 전지이다. 농도가 진한 쪽이 cathode가 되고 연한 쪽이 anode가 된다. 회로가 연결되면 농도가 동일하게 될 때까지 자발적인 반응이 일어난다. 농도가 진한 쪽에서는 자신의 농도를 줄이기 위해 환원되고 묽은 쪽에서는 농도를 크게 하기 위해 산화가 일어나게 된다.
예를 들면, Cu｜CuSO4(진한 용액)∥CuSO4(묽은 용액)｜Cu이다. 두 전극의 이온의 활성도를 a1, a2라 하면 농도차전지의 기전력E는 아래와 같다.
F:패러데이상수, n:이온 하전수의 변화, R:기체상수, T: 절대온도

5. 실험 방법
(1) 화학 전지
① 아연판, 구리판을 사포로 깨끗이 닦는다.
② 물 150mL에 45g의 KCl과 5.5g의 한천을 녹여 용액이 맑아질 때까지 가열한 뒤 용액을 U자관에 붓고 식혀서 만든다. (염다리 제조)
③ 위의 세금속의 질산염 1M 용액을 200mL씩 비커에 넣고, 차례로 금속을 넣어 살펴 본다.
-1M ZnSO4 제조 : 1×0.2L×=57.512g에 증류수를 부어 200mL가 되도록 붓는다.
-1M CuSO4 : 1×0.2L×=49.938g을 비커에 붓고 증류수를 부어 200mL가 되도록 붓는다.
④ Zn을 ZnSO4 용액에 Cu를 CuSO4 용액에 담근다.
⑤ Zn을 전압계의 (-)단자에 Cu를 전압계의 (+) 단자에 연결한다.
⑥ 만들어진 염다리로 두 전극을 연결하고, 전압계의 눈금을 읽는다.

(2) 농도차 전지

① Zn 판 2개를 사포로 잘 문질러 놓는다.
② 0.001M Zn(SO4)2 200mL용액과 1M의 Zn(SO4)2 200mL용액을 만든다.
-0.001M Zn(SO4)2 0.001×0.2L×=0.0575g을 비커에 부은 후
증류수를 200mL가 되게 붓는다.
-1M Zn(SO4)2 1×0.2L×=57.512g
③ 판을 각각의 용액에 담근다.
④ 0.001M Zn(SO4)2 용액의 Zn판을 (-)단자에 1M Zn(SO4)2 용액의 Zn판을 (+)단자에 연결한다.
⑤ 염다리로 두 용액을 이어 전압계의 눈금을 관찰한다.

6. 참고자료
– 최신 분석화학 최재성 외 3인 동화기술 2000 P. 249~273
– 분석화학 Daniel. C harris 자유아케데미 2004 P. 254~380
– 기초화학 천정균, 고준태 희중당 1996 P. 285~291
– http://cont3.edunet4u.net/~jupitero/tamgu/salt_bridge/exp.html
– http://www.cyberschool.co.kr/html/text/chm/chm554.htm
– http://www.encyber.com/search_w/ctdetail.php?masterno=3796&contentno=3796
– http://www.scieng.net/zero/view.php?id=tech&page=7&category=&sn=off
– http://100.empas.com/dicsearch/pentry.html?i=159100
– http://www.chosun.ac.kr/~mjkoh/a25-208.html

멀티테스터 사용설명서

1. 멀티테스터

(1) 아나로그(Analog) 테스터
1) 테스터의 각부명칭 설명

① 트랜지스터 검사소켓 :
트랜지스터 검사시 각 극성을 맞추어 끼우고 다이알
스위치를 TR 에 위치시킨다.
② 트랜지스터 판정 지시장치 :
적색 LED가 켜지면 PNP, 녹색 LED가 켜지면
NPN 트랜지스터 임을 나타낸다. 두개의 램프가 점멸
되면 측정하는 트랜지스터의 극간 단선상태, 둘다
점멸되지 않으면 컬렉터-에미터 간의 단락고장상태를
뜻한다.
③ 리드선 입력소켓 :
DC10A 측정시는 오른쪽 위 전용의 소켓을 사용한다.
④ 레인지 선택스위치 :
다이알방식의 20레인지 선택가능.
↑ 멀티테스터(아나로그)
⑤ “0”오옴 조정기 :
저항 측정시 지침이 레인지별로 “0”점에 정확히 오도록 조정한다. ↑ 멀티테스터(아나로그)
⑥ 지침 영점 조정기 :
측정전, 반드시 지침이 왼쪽 “0” 점에 있는지 확인하고 필요시 드라이버 등으로 돌려 조정한다.
⑦ 가동코일형 메타 :
고감도, 고 직진성 및 1% 미만의 정밀계기 내장
⑧ 눈금판 : 약 90 mm(3.5 인치), 90°원호

[데시벨 측정방법]
교류전압 측정 레인지에서 전력손실 및 이득분을 측정할 수 있다. 데시벨은
DB=10log(Power1/Power2), 또는 20log(E1/E2) (R1=R2 일때)
본 측정기는 1mW, 600Ω에서 0 DB로 교정되어 있어서 20log[E1(지시치)/0.774V] DB
600Ω 에서 측정되는 E1 전압을 각 교류전압 레인지에서 읽으면 눈금판에 교정된 DB 지시치를 직접 측정할수 있다. 이 DB 눈금선은 교류 10V에서만 직법 측정할수가 있고 타

?10V??
50V?
250V 1000V
눈금판에서 직접읽음 +14 DB +28 DB +40 DB
교류 레인지 에서는 아래표를 이용하여 지시치에서 더하기만 하면 된다.
⑥ 사용전지: 1.5V×2개, 9V×1개
⑦ 과부하 보호회로: 메타 보호용 다이오드2개, 휴즈 0.5A/250V 1개
⑧ 사용온도: 25℃에서 정격정밀도 유지(-4°∼50℃ 범위에서 4%오차 부가될수 있음)

(2) 디지탈(Digital) 테스터

(1) 테스터의 각부명칭 설명

① 10A : 10A 이내의 AC 또는 DC 전류측정용
리드선 입력 소켓(적색)

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