화학 전지와 전기 분해
아연판과 구리판을 도선으로 이으면 아연이 내놓은 전자가 도선을 따라 이동해 전류가 흘러요. 이렇게 산화·환원 반응으로 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치가 화학 전지예요. 반대로 전기 에너지를 가해 산화·환원 반응을 일으키면 전기 분해가 일어나요. 전자와 이온이 어디로 움직이는지 3D로 보고, 표준 환원 전위로 전지의 전압을 예측해 보세요.
2022 개정 교육과정화학 반응의 세계 산화·환원 반응 · 화학 전지의 원리와 표준 환원 전위를 이용한 전위차, 전기 분해의 원리와 도금, [12반응02-02~04]화학 실험 산화·환원 반응을 이용한 화학 전지와 기전력, 전기 분해 생성물의 양, [12화실03-05·06]고급 화학 표준 환원 전위와 표준 전지 전위차, 전기 분해, [12고화03-06·08]
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이하은T 과학 실험실
전지
빠르기
왼쪽 반쪽 전지
오른쪽 반쪽 전지
전기 분해할 것
전원 장치
시간에 따른 전지의 전압
점선은 앞서 실험한 다른 전지의 결과예요 · 세로선은 기포를 털어 낸 때예요
지금 전지다른 전지
표준 환원 전위 (25 °C)
위로 갈수록 환원되기 쉬워요 · 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위 차가 표준 전지 전위예요
두 전극에서 생긴 물질의 양
같은 수의 전자가 흐를 때 두 전극에서 생기는 물질의 양을 비교해요
화학 전지
화학 에너지 → 전기 에너지
- 산화·환원 반응에서 전자가 도선을 따라 이동하면 전류가 흘러요
- 산화 전극: 전자를 잃는 반응((−)극)
- 환원 전극: 전자를 얻는 반응((+)극)
볼타 전지
최초의 화학 전지
- 아연판과 구리판을 묽은 황산에 넣고 도선으로 연결해요
- (+)극인 구리판에서 수소 기체가 생겨요
- 기체가 구리판에 달라붙어 전압이 점점 낮아져요
다니엘 전지 · 염다리
전하 균형을 맞춰요
- 산화 전극과 환원 전극을 서로 다른 수용액에 넣고 염다리로 연결해요
- 염다리의 음이온은 산화 전극 쪽, 양이온은 환원 전극 쪽으로 이동해요
- 아연판은 가벼워지고 구리판은 무거워져요
표준 환원 전위
환원되려는 경향
- 표준 수소 전극을 0.00 V로 정하고 비교한 값이에요
- 클수록 환원되기 쉽고, 작을수록 산화되기 쉬워요
- 표준 전지 전위 = 환원 전극의 E° − 산화 전극의 E°
전기 분해
전기 에너지 → 화학 변화
- 전기 에너지로 비자발적인 산화·환원 반응을 일으켜요
- (+)극이 산화 전극, (−)극이 환원 전극이에요(화학 전지와 반대)
- 수용액에서는 물도 산화·환원 반응에 참여할 수 있어요
도금
표면에 금속을 입혀요
- 도금할 물체를 (−)극, 입힐 금속을 (+)극에 연결해요
- (−)극에서 금속 이온이 환원되어 물체 표면에 석출돼요
- 부식을 막고 표면을 장식할 수 있어요
생각해 보기
- ① 탭의 볼타 전지에서 전자는 어느 금속판에서 어느 금속판으로 이동하나요? 각 금속판에서 일어나는 반응을 반쪽 반응식으로 써 보세요.
- 볼타 전지의 전압이 시간이 지나면서 낮아지는 까닭은 무엇인가요? ‘기포 털어 내기’를 눌렀을 때 전압 변화로 확인해 보세요.
- 다니엘 전지에서 염다리를 빼면 어떤 일이 일어나나요? 염다리 속 이온이 하는 일과 관련지어 설명해 보세요.
- 다니엘 전지가 작동할 때 아연판과 구리판의 질량, 황산 구리(Ⅱ) 수용액의 색은 각각 어떻게 변하나요?
- ② 탭에서 아연, 철, 구리 반쪽 전지로 만들 수 있는 전지 3가지의 전압을 측정하고 표준 전지 전위와 비교해 보세요. 전압이 가장 큰 전지는 어떤 조합인가요?
- 전압계의 측정값이 음수로 나오는 것은 무엇을 뜻하나요?
- ③ 탭에서 물을 전기 분해할 때 두 전극에서 생기는 기체의 부피비는 얼마인가요? 순수한 물 대신 황산 나트륨 수용액을 쓰는 까닭은 무엇인가요?
- 쇠 펜던트에 구리를 도금할 때 펜던트를 전원 장치의 (−)극에 연결하는 까닭을 설명해 보세요.