일반화학실험: 화학 전지 A+

안녕하세요.

 

제가  학부시절 1학년 2학기 동안 썼었던 보고서를 업로드 하고자합니다.

 

오늘의 실험 노트 주제는

[ 일반화학실험: 화학 전지 A+ ] 입니다.

 

본 과목은 A+을 받았으며, 보고서 점수 또한 만점을 받았음을 말씀드립니다.

부디 이 글이 여러분이 보고서를 작성함에 있어서 좋은 참고 자료가 되었길 바랍니다.

감사합니다 ~

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추가적으로, 저희 학교에서 사용한 교재는 대한화학회. 『(표준) 일반화학실험』 입니다!

제가 늘 작성하여 올리는 보고서들은 교재와 수업자료를 참고하여 작성한 것임을 알아주세요!

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1. 실험 목표

-자발적 화학 반응으로 일어나는 전자 이동을 이용하여 전기 에너지를 얻는 전지의 원리를 알아보고, 몇 가지 금속 이온의 전기 화학적 서열을 확인한다.

 

2. 실험 원리 및 개념

1) 실험 원리

: 분자들 사이에서 자발적으로 일어나는 산화-환원 반응을 이용해서 금속선을 통하여 전자가 흘러가도록 만들면 전기 에너지를 제공하는 전지(cell)를 만들 수 있다. 산화-환원 반응에서 이동하는 전자를 금속선을 통해 흐르는 전류로 만들기 위해서는 산화 반응과 환원 반응을 서로 분리한 반쪽 전지(helf cell)를 금속선으로 연결한 “전지(cell)”를 이용한다. 특히 전류를 만들어서 전기 에너지원으로 사용하기 위한 화학 전지를 “갈바니 전지(galvanic cell)”라고 부른다. 화합물이 전자를 잃어버리거나 얻을 경우에는 전하를 가진 이온이 만들어지기 때문에 대부분의 전지는 이온을 안정화시킬 수 있는 수용액에서 일어나는 반응을 이용한다. 반쪽 전지에는 쉽게 이온화하여 산화 또는 환원될 수 있는 전해질이 들어있고, 금속 전극은 금속선을 통해서 다른 쪽의 전극과 연결되어 있으며, 용액의 전하 변화를 상쇄시켜주기 위한 염다리를 사용하기도 한다. 그리고 이 염다리는 이온들이 이동을 하나, 두 용액이 직접 섞이지 않도록 돕는다. 이렇게 구성한 전지의 한 쪽 반쪽 전지에는 화합물이 산화되면서 빠져 나온 전자가 전극을 통하여 다른 반쪽전지로 흘러가서 전극을 통하여 수용액 중의 화합물에 전달되어 환원 반응이 일어나게 된다, 이때 산화 반응이 일어나는 전극을 산화전극이라 부르며, 환원 반응이 일어나는 전극을 환원 전극이라 부르고 전자는 산화전극에서 환원 전극으로, 전류는 그 반대이다. 이때, 환원전극이 산화전극보다 더 높아서 환원전극이 (+)극, 산화 전극이 (-)극이 된다.

한 전극의 전위를 절대적으로 측정하는 것은 불가능하지만 임의로 선택한 두 전극 사이의 전위차를 측정하는 것은 가능하다. 이때 표준 수소 전극(standard hydrogen electrode)을 이용해서 전극의 전위를 나타낼 수 있는데, 표준 수소 전극은 1기압의 압력으로 유지되는 수소 기체와 평형을 이루고 있으면서 하이드로늄 이온의 농도가 1.0M인 25 ℃의 수용액 속에 백금 금속으로 만든 전극이 설치되어있는 것이다. 이 때의 반응은 2H+(aq) + 2e^- --> H2(g) 와 같다. 일반적으로 표준 수소 전극의 전위 E°를 0.00 V(볼트)라고 정의하고, 다른 전극과 표준 수소 전극을 연결한 전지에서 얻은 전위차를 그 전극의 환원 전위(reduction potential)이라고 하며 25 ℃에서 측정한 환원 전위를 표준 환원 전위라고 한다.

예를 들어서, 25 ℃에서 1.0M의 구리이온이 녹아 있는 용액에 구리판을 전극으로 사용한 반쪽 전지를 표준 수소 전극과 연결하면, 구리 이온이 환원되어 구리 전극 표면에 구리 금속이 붙고, 수소 전극에는 수소 분자가 산화되어 하이드로늄 이온으로 물에 녹게 된다. 이 경우에 두 전극 사이의 전위차는 0.337 V이고, 이 값을 구리 전극의 표준 환원 전위라고 한다.

이때 표준 환원 전위는 양의 값을 같지만 이와 반대로 음의 값을 가지는 것이 있는데, 25 ℃에서 1.0M의 아연 이온이 녹아있는 용액에 아연판을 전극으로 사용한 반쪽 전지를 표준 수소 전극과 연결하면 아연 전극이 녹으면서 산화되어 아연이온이 되고 표준 수소 전극에는 하이드로늄 이온이 환원되어 수소기체가 된다. 이 경우에 두 전극 사이의 전위차는 0.763 V 이고, 아연 전극의 전위가 더 낮으므로 아연 전극의 표준 환원 전위는 -0.763 V이다.

따라서, 임의의 반쪽 전지를 두 개를 연결하여 갈바니 전지를 만드는 경우에 환원 전위가 더 큰 쪽은 환원 반응이 일어나서 전위가 높은 환원전극이 되고, 환원 전위가 더 낮은 쪽은 산화반응이 일어나서 전위가 낮은 산화전극이 된다. 우리가 실험에서 이용할 구리전극과 아연 전극을 연결해서 만든 다니엘 전지(Daniel cell)의 경우에는 구리 전극이 환원 전극이 되고 아연 전극이 산화 전극이 되어서 구리 전극에서 아연 전극으로 전류가 흐르게 되며, 두 전극 사이의 전위차는 1.10 V가 된다. 그리고 산화-환원 반응을 이용한 갈바니 전지의 경우에는 두 전극 사이의 전위차가 최대 5 V 정도이다. 이렇듯 금속들은 다양한 표준 환원 전위를 지닐 수 있으며, 환원 전위는 금속 이온이 환원 되려는 경향을 나타낸 것으로 그 값이 클수록 쉽게 환원된다. 금속 이온이 환원 되려는 경량이나 금속이 산화되려는 경향을 상대적으로 나타낸 것이 “전기 화학적 서열”이며, 우리는 실험에서 구리 전극, 아연 전극, 납 전극을 이용한 화학 전지를 만들고 여러 가지 금속의 전기 화학적 서열을 확인한다.

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2) 반쪽 전지(helf cell)

: 화학 전지는 산화 반응이 일어나는 전극과 환원 반응이 일어나는 전극, 전해질로 구성되어 있다. 화학 전지에서 산화 반응과 환원 반응이 일어나는 각 부분을 반쪽 전지라고 한다. 다니엘 전지는 아연(Zn)이 아연 이온(Zn2+)으로 산화되는 반쪽 전지와 구리 이온(Cu2+)이 구리(Cu)로 환원되는 반쪽 전지로 구성되어 있다.

사진출처: 사이언스올

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3) 표준 환원 전위(standard reduction potential)

: 표준 환원 전위는 기호로 E°로 표시하며, 표준 상태에서 전기 화학 반응의 평형 전위를 일컫는다. 이를 통해서 표준 상태에서 특정 전기 화학 반응의 산화-환원 정도를 알 수 있으며, 환원 반쪽 반응을 기준으로 전위값을 나타낸다. 표준 환원 전위를 개별적으로 측정하기는 매우 어려우므로, 전위차계를 이용하여 두 반쪽 반응의 전위차를 측정하여 표준 환원 전위를 측정한다. 이를 위해 전위차계의 플러스 단자를 측정하려는 전기 화학 반응이 표준 상태에 있는 반쪽 전지에 연결한다. 그리고 전위차계의 마이너스 단자를 표준 수소 전극(standard hydrogen electrode)에 연결한다. 표준 수소 전극은 활동도가 1인 수소 기체, 산성 용액, 백금 전극으로 구성되어 있으며, 표준 수소 전극의 표준 환원 전위는 0.000 V로 정해져 있다. 그러므로 전위차계에서 측정된 전압은 우리가 보려는 전기 화학 반응의 표준 환원 전위라고 할 수 있다.

 

 

 

4) 갈바니 전지(galvanic cell)

: 볼타전지라고도 한다. 음양의 양 전극이 화학적으로 같은 조성의 물질에 접촉되어 있는 전지. 두 전극에서의 반응은 자발적으로 진행되려는 경향이 있어 외부도체를 통해 산화전극 (-)에서 환원전극(+)로 전자가 흘러 전기반응이 일어난다. 보통 취급하는 전지는 구리선에 의해 접속하므로 갈바니 전지라 볼 수 있다. 갈바니 전지는 전기화학에서 가장 기본적인 것이다. L. 갈바니의 이론에서 유래되었다.

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5) 산화 전극(anode)

: 부식반응에서는 금속이 용해하는 부분을 말한다. 전해질 용액을 사이에 놓고 두 전극사이에 전류가 흐를 때 전해질 용액으로 전류가 유출하는 쪽의 전극을 말한다. 즉, 다시 말하면 산화 반응이 일어나는 전극을 말하는 것이다. M.페러데이가 명명했는데 전기분해와 방전관에서는 양극이라고 하며, 전지에서는 음극이라고도 한다.

 

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6) 환원 전극(cathode)

: 전극반응에서 환원반응이 일어나는 전극을 의미하며 흔히 음극이라고 한다. 전극반응이란 전극과 전해질 용액 사이의 경계면에서 발생하는 전자의 주고받음을 포함한 화학반응을 통틀어 말한다. 전극 반응 중 용액에서 전극으로 전자가 이동하는 반응을 양극반응이라 하는 산화반응이 일어나고 반대로 전극에서 용액으로 전자가 이동하는 반응을 음극반응이라 하는 환원반응이 일어난다.

사진출처: 사이언스올

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7) 전위차(electric potential difference)

: 시간에 따라 변하지 않는 전기장에서 단위 전하에 대한 전기적 위치에너지를 전위라고 한다. 전기장에서 전하의 위치에너지는 전기장 안에서의 위치와 전하량, 전하의 종류에 따라 다르다. 전위는 양전하를 기준으로 하고 기준점에 대해서 상대적인 크기로 나타낸다. 전위는 절대적인 값이 아니라 상대적인 값이다. 전위차란 전압을 뜻하는 말이다. 두 점 사이의 전위의 차이를 말한다.

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8) 전지 전위(cell potential, 기전력)

: 전자에 운동에너지를 공급하여 회로에 전류를 계속 흐르게 유지시키는 능력을 말한다. 전위(electric potential)가 다른 2점간에서는 전위가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전류를 이동시키려는 힘이 작용한다. 이러한 힘을 기전력이라 한다. 약어로 EMF 또는 emf로 나타낸다. 기전력은 힘이 아니고 단위 전하당 한 일의 양이다. 예를 들면, 기전력이 1.5V인 건전지는 이를 통과하는 1C의 전하에 1.5J의 일을 해 준다. 따라서 기전력의 단위는 전위와 같은 V(볼트)이다. 기전력은 발전기나 전지 등에 존재한다. 어떤 기준점에서 전기의 위치를 전위라 하고 상대적인 차이를 전위차라 한다.

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3. 실험에서 사용되는 시약

① 1.0 M Pb(NO3)2 (lead nitrate)

▶피해야할 물질 및 조건: ​열·스파크·화염·고열로부터 멀리해야하며 가연성 물질은 피하도록 한다.

▶주의 사항: 눈에 심한 손상을 일으킬 수 있고, 장기간 노출되면 인체에 해롭다.

 

 

 

② 1.0 M Zn(NO3)2 (zinc nitrate)

▶피해야할 물질 및 조건: 열·스파크·화염·고열로부터 멀리해야하며 가연성 물질은 피하도록 한다.

▶주의 사항: 마개를 단단히 막아서 온도가 낮은 곳에 보관해야한다.

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③ 1.0 M Cu(NO3)2 (copper nitrate)

▶피해야할 물질 및 조건: ​열·스파크·화염·고열로부터 멀리해야하며, 가연성 물질(나무, 종이, 기름, 의류)과 혼합되지 않도록 조심해야한다.

▶주의 사항: 삼키면 유해하며, 눈에 손상을 일으킬 수 있고 화재 위험이 있다.

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④ 포화 KCl 용액(saturated potassium chloride solution)

▶피해야할 물질 및 조건: 열, 스파크, 화염 등 점화원을 피해야하고, 가연성 물질, 환원성 물질을 피하도록 한다.

▶주의 사항: 눈에 심한 자극을 일으키거나 호흡기 자극을 일으킬 수 있다.

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⑤ 우뭇가사리(agar, 한천)

: 한천은 우뭇가사리의 점장을 동결 건조한 갈락토오스가 주성분이고 젤라틴과 비슷한 물리적인 성질을 가진 투명한 물체이다. 그리고 우무라고도 한다. 한천의 분자식은 C14H24O9이고, 분자량은 336.33g/mol이다. 한천은 물에 녹여서 식용으로 사용하기도 하고 공업용 재료로 사용하기도 하며, 물에 잘 녹고 투명하며 말랑말랑한 물체이다. 열량이 낮아서 다이어트 식품으로도 자주 이용되는 물질이다. 미생물이나 식물조직, 동물세포를 고정해서 배양하는 고형배지의 조제용으로 사용되기도 한다. 시판되는 한천은 백색 투명하고 광택이 풍부하며 찬 물에 녹지 않는데, 다량의 물을 흡수해서 팽윤한다. 그리고 뜨거운 물에 서서히 녹는다. 1~2%의 뜨거운 수용액을 냉각시키면 젤리상으로 응고하고, 80~90℃까지 녹지 않는다. 일반적으로 질산칼슘 이외에 염류에는 녹기 어렵고, 유기 용제에는 용해하지 않는다. 디아스타아제, 타액, 췌액에는 작용하지 않고, 세균에도 침해당하기 어렵다. 한천 용액을 장시간 끓이면 점성을 잃고 착색한다. 물과 고압하에서 가열하면 가수 분해를 받는다. 산에 대한 저항성은 약하지만, 알칼리에 대해서는 비교적 침해당하기 어렵다.

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4. 실험 주의 사항

- 염다리 대신에 filter paper를 폭이 작고 길이가 길게 자른 후 KCl 포화 용액에 담그었다 꺼내서 사용해도 된다.

- 전압계의 단자는 + 극이 빨강색 - 극이 검정색으로 되어있다. 두 금속판 사이의 전압이 꼭 양수값이 되도록 측정하여야 한다. 어느 금속판이 +극인지 생각해보아라.

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5. 실험 과정 (실험실 온도: 20 ℃ , 기압: 1atm)

▶실험에서 실제 사용된 실험 기구: 비커, 사포, 필터페이퍼, 전압계, 전압계 단자, 금속 판(3종), 눈금 실린더, 스포이트 등

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<실험 A. 전기 화학적 서열>

우선 질산 납 용액을 넣을 비커 2개와 질산구리 용액을 넣을 비커2개, 질산 아연 용액을 넣을 비커 2개를 준비한다. 그리고 준비한 비커 총 6개에 해당되는 용액을 차례대로 각각 넣어준다. (ex) 질산 납 비커에는 질산 납 용액을 넣어준다.) 그리고 실험대 위에 준비된 구리판과 납판 아연판을 사포을 통해 겉면을 갈아낸다. 이는 용액과의 반응성을 높여주기 위함이다.

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질산납 용액이 들어간 비커 2개에는 사포로 갈은 구리판과 아연판을 각각 넣어준 뒤 용액과 반응하는 금속판을 관찰한다. 그리고 반응이 일어난 금속판을 기록한다.

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질산 아연 용액이 들어간 비커 2개에는 사포로 갈은 납판과 구리판을 각각 넣어준 뒤 용액과 반응하는 금속판을 관찰한다. 그리고 반응이 일어난 금속판을 기록한다.

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질산구리 용액이 들어간 비커 2개에는 사포로 갈은 납판과 아연판 을각각 넣어준 뒤 용액과 반응하는 금속판을 관찰한다. 그리고 반응이 일어난 금속판을 기록한다.

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<실험 B. 화학 전지>

비커 3개를 준비한 뒤 질산납 용액 80ml , 질산구리 용액 80ml, 질산아연 용액 80ml 를 각각 넣어주었다 그리고 질산 구리용액은 구리판에 대한 전해질로 작용하므로, 질산구리 용액에는 구리판을 넣어주었다. 앞서 했던 것과 마찬가지로 질산납 용액에는 납판, 질산 아연용액에는 아연판을 넣어주었다

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처음에는 아연판과 구리판이 들어간 용액에 KCl 용액을 묻힌 필터페이퍼를 담갔다.(두 용액을 연결하듯이 다리처럼 담갔다.) 그리고 두 금속판의 전위차를 측정하기 위해서 전압계의 집게를 각각의 판에 연결하고 전위차를 측정하였다 그리고 그 값은 0.99V이었다 그리고 두 번째로는 구리판과 납판의 전위차를 방금했던 방식 그대로 똑같이 측정하였는데 그 값은 0.55 V이었다. 마찬가지로, 아연판과 납판의 전위차도 측정하였는데 그 값은 0.42 V이었다.

 

 

6. 실험 결과 예상

- 구리 전극과 아연 전극을 연결하여 만든 다니엘 전지의 경우 이 두 금속의 전위차는 이론값인 1.10V보다 낮을 것이다. 그 이유는 넣어준 염다리의 농도 혹은 염다리의 상태가 정상적이지 않거나(염다리 제조 시에 기포가 많이 들어가는 등 ), 용액의 상태에 따라 정확하지 않은 값이 나타날 수 있기 때문이다. 이외에도 수소기체가 환원되어 전자의 이동을 막거나, 용액 깊숙이 금속판을 넣지 않는 등으로 인해 반응할 수 있는 표면적이 줄어들어 오차를 발생시킬 것이라 생각한다. 앞선 내용에서는 구리 전극과 아연전극만을 언급했지만, 나머지 납-구리, 납-아연 전지에서도 방금 말했던 것과 같은 현상이 일어날 것이라 생각한다.

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- 실험 결과에서 산화가 잘되는 순서는 Zn>Pb>Cu이고, 환원이 잘되는 순서는 Cu>Pb>Zn일 것이다. 그 이유는 아래와 같다.

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- 아연과 구리 전지에서의 전위차 예상 값은 1.10 V이며, 아연과 납 전지에서의 전위차 예상값은 0.637V이다. 마지막으로 구리와 납 전지에서의 전위차 예상 값은 0.463 V이다. 그 이유는 아래와 같다.

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-우리가 전위차를 측정할 때에 너무 오랜 시간이 지난 후에 측정을 한다면, 전위차는 점차 감소할 것이다. 그 이유는 전하가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하면서 이들 간에 평형이 이루어질 것이고 결국 전위차는 감소하게 될 것이라 생각하기 때문이다. 우리가 실험에서 두 전극을 너무 많이 방치하거나 바로 측정하지 않는 등의 문제가 생긴다면 이론값에서 매우 떨어진 값을 얻어낼 것이라 생각한다.

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- 아연과 구리 전지에서 환원 전극과 산화전극에 해당하는 전극의 이름은, 우선 환원 전극은 구리 전극이 될 것이고, 산화 전극은 아연 전극이 될 것이다. 또 아연과 납전지에서는 환원 전극이 납 전극이 될 것이고, 산화 전극이 아연 전극이 될 것이다. 마지막으로 구리와 납전지에서는 산화전극이 납 전극이고, 환원 전극이 구리 전극이 될 것이다. 즉 이를 표로 나타내어 각 전극에서 일어나는 반응을 작성해보자면, 아래와 같다.

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7. 실험 결과

결과표는 성신여자대학교 수업자료이용

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<해석>

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8. 생각해 볼 사항

1) 만약 전극을 담그는 용액의 농도를 바꾸면 전압이 어떻게 바뀌겠는가?

2) 시간이 지나면 두 전극 사이의 전위차는 어떻게 달라져 있겠는가?

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3) 부록의 표준 환원 전위로부터 계산한 전위차와 실제 측정값이 다른 이유는 무엇일까?

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9. 결론

: 본 실험은 자발적 화학 반응으로 일어나는 전자 이동을 이용하여 전기 에너지를 얻는 전지의 원리를 알아보고, 몇 가지 금속 이온의 전기 화학적 서열을 확인하는 것이다. 실험의 과정은 다음과 같다. 우선, 실험에서 실제 사용된 실험 기구는 비커, 사포, 필터페이퍼, 전압계, 전압계 단자, 금속판(3종), 눈금 실린더, 스포이트 등이 있다. 실험 A는 전기 화학적 서열을 알아보기 위한 실험으로, 비커 6개를 준비한 뒤 질산납 용액과 질산구리, 용액 질산 아연 용액 각각을 2개의 비커에 넣어주었다. 준비된 구리판과 아연판, 납판을 사포로 갈아준 뒤 질산 납 용액이 들어있는 비커에는 구리판과 아연판을 넣어주고, 질산구리 용액이 들어있는 비커 2개에는 납판과 아연판을 넣어주었으며, 마지막으로 질산 아연 용액이 들어있는 비커 2개에는 구리판과 납판을 각각 넣어주었다. 그리고 용액 내에서 발생하는 반응을 확인하였는데 우선 질산구리 용액에서는 아연판과 납판 모두 반응이 일어났고(기포 생성), 질산 아연 용액에서는 두 금속판 모두 아무런 반응을 일으키지 않았다. 마지막으로 질산 납 용액에서는 구리판은 반응을 일으키지 않았지만 아연판은 반응을 일으켰다. 이런 현상을 토대로 하여 도출한 결과는 다음과 같다. 세 가지의 화학종(아연, 납, 구리) 중 산화를 잘 일으키는 순서는 아연>납>구리 순서이며, 환원이 잘되는 순서는 앞서 말한 순서의 반대인 구리>납>아연 순서이다. 그리고 두 번째 실험B에서는 전극 사이의 전위차를 측정하는 실험을 진행했다. 실험 A에서 사용했던 비커보다 더 큰 비커 총 3개를 준비한 뒤 각각의 비커에는 질산 납 용액, 질산구리 용액, 질산 아연 용액을 80 ml씩 담아주었다. 처음에는 질산 아연 용액에 아연판을 넣어주고, 질산구리 용액에는 구리판을 넣어준 뒤 KCl을 적신 필터페이터를 두 용액에 연결하듯이 담가주었다.(염다리를 대신하는 역할) 그리고 두 구리판에 전선을 연결한 뒤 전압계를 통해 전위차를 측정하였는데, 결과적으로 아연-구리의 전위차는 0.99V이었다. 그리고 구리가 환원 전극이며, 아연이 산화전극이었다. 두 번째로, 아연판이 들어간 질산 아연 용액과 납판이 들어간 질산 납 용액에 또 다시 KCl을 적신 필터페이터를 연결하듯 넣어준 뒤, 두 판에 전선을 연결하여 전위차를 측정하였는데 그 값은 0.42V이었고, 납이 한원 전극이며 아연이 산화전극이었다. 마지막으로 납판과 구리판 또한 앞에서 한 2가지 실험을 그대로 따라하여 전위차를 측정하였는데 그 값은 0.55 V이었고, 구리가 환원 전극이며 납이 산화 전극이었다. 근데 우리가 측정한 전위차는 이론적인 전위와 달랐는데, 우선 아연-구리 전극의 이론적인 전위차는 1.10V이었으며, 아연-납 전위차는 0.637V, 납-구리의 전위차는 0.463V이었다. 이런 이론적인 전위차와 실험에서 구한 전위차를 비교하여 구한 오차율은 순서대로 10%, 34%. 18.8%이었다. 오차율의 퍼센트가 많이 낮지 않은 것으로 보아, 실험 과정에 약간의 실수가 있었거나 외부적인 문제가 있었을 것이라 본다.

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10. 토의

: 실험을 통해서 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치인 갈바니 전지의 특성에 대해서 배워갈 수 있었다. 이러한 갈바니 전지에서는 산화-환원 반응이 자발적으로 진행될 때 전류가 흐르는데, 이와 반대로 전기에너지를 사용하여 화학 변화를 진행시키는 전해 전지가 있다는 사실을 교수님의 말씀을 통해 알 수 있었다. 나는 실험 B를 진행할 때 KCl을 적신 필터페이퍼(염다리 대체용)를 도대체 왜 사용할까가 의문이었는데, 반응을 계속 시키기 위함이라는 것을 알게 되었다. 자세하게 설명해보자면, 우리가 만약에 염다리를 설치하지 않은 채 실험을 진행했다면 실제로 두 부분을 전선으로 연결하였을 때 전기가 일시적으로 흘렀다가 이내 중단되었을 것이다. 그 이유는 양쪽 뿐에 축적되는 전하 때문이다. 만약 전자가 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르면 왼쪽 부분은 음으로 하전 되고, 오른쪽 부분은 양으로 하전 될 것이다. 그 이유는 이런 식으로 전자를 분리하는 데는 많은 에너지가 필요하므로 지속적인 전자흐름이 불가능하기 때문이다. 그래서 이와 같은 문제를 해결하기 위해 양쪽 용액에서의 알짜 전하가 0이 되도록 두 용액을 염다리를 통해 연결하는 것이다. 염다리를 연결하면, 용액이 많이 섞이는 것을 방지하기도 하고 이온이 잘 흐르게 해주면서, 결국은 이온이 한쪽 용액에서 다른 쪽 용액으로 알짜 전하가 0이 되도록 흐르게 된다. 처음에는 도대체 왜 염다리(KCl을 적신 필터페이퍼)를 사용할까 의문이 들었지만, 앞서 설명한 사실들을 통해 실험에서 굉장히 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있었다. 또 우리가 실험 A의 경우 실험 결과 예상에 맞게 결과가 잘 나왔지만, 실험 B의 전위차를 측정하는 과정에서 이론값의 전위차와는 다른 값이 나왔는데 왜 이런지 한 번 생각을 해보았다. 우선 첫 번째로 우리가 사용한 직류 전류계가 불안정했을 수도 있을 거란 생각이 든다. 이 전 실험에서도 여러 번 사용했던 장치이기도하고, 오래 되었기 때문에 장치의 불안성으로 인한 오차가 발생했을 것이란 추측이 든다. 두 번째로는 우리가 실험에서 사용한 KCl에 담갔던 필터페이퍼가 제대로 된 염다리의 역할을 수행하지 못했을 수도 있다. 염다리의 역할을 앞에서 강조했듯이, 염다리가 제대로된 기능을 수행하지 못하면 실험에 오류를 일으키게 될 것이다. 또 교수님께서 실험 전에 집게가 수용액에 닿지 않도록 조심해야 한다고 하셨는데, 실험 과정 중의 부주의로 인해 집게가 용액에 닿았을 가능성이 있을 것 같다. 이외에 다른 문제는 생각해볼 사항의 3번에 적은 내용과 같을 것이라 본다. 그리고 보통 전해질을 사용할 때 강산과 강염기를 이용하는 것이 가장 효율적인데 우리는 그렇게 하지 않고, 아연에 대해서는 질산아연 용액을, 구리에 대해서는 질산 구리 용액을 납에 대해서는 질산 납 용액을 사용하였다. 왜 그런가를 생각해보았는데 이는 분극 현상과 관련이 있음을 알 수 있었다. 우리가 만일 강산과 강염기와 같은 전해질을 사용했더라면, 전극 부분에서 수소기체가 발생하고 이 수소기체는 환원 반응이 일어나는 것을 막아서 전류의 흐름을 방해했을 것이다. 결과적으로 전압이 떨어지는 결과를 초래했을 지도 모른다. 그리고 교수님께서 실험을 계속 진행하다보면 황산구리 용액이 투명색으로 점점 옅어지는 것을 관찰할 수 있고, 또 아연판이 녹아내리는 것 또한 확인할 수 있다고 말씀해주셨는데, 이는 Cu2+이온이 Cu로 변하기에 푸른색이 연해지는 것이고, 또 아연의 경우 양이온이 되어서 녹아내리는 것이라는 생각이 든다.

 

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11. 참고 문헌

>사이언스올, “U자관”, https://www.scienceall.com/u%ec%9e%90%ea%b4%80u-tube-2/ (2022.11.05.)

 

>사이언스올, “전압계”, https://www.scienceall.com/%EC%A0%84%EC%95%95%EA%B3%84voltmeter/ (2022.11.06.)

 

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>대한화학회. 『(표준) 일반화학실험』. 천문각, 2011, 155~160p

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자 여기까지가 제가 작성한 ' 화학 전지 ' 실험 보고서입니다!

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