[일반화학실험] 18. 화학전지 실험 보고서 레포트

출처: 미래엔 화학2 교과서

1. 목표

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

2. 실험기구&시약

• 시약 : 1.00M 질산 아연(Zn(NO3)2) 용액 150mL, 1.00M 질산 납(Pb(NO3)2) 용액 150mL, 1.00M 질산 구리(Cu(NO3)2) 용액 150mL, 1.00M 묽은 염산(HCI) 300mL, 2cm X 7cm 아연(Zn)판 3개, 2cm X 7cm 납(Pb)판 3개, 2cm X 7cm 구리(Cu)판 3개, 한천(Agar) 50g, 염화 칼륨(KCl) 50g, 10cm X 10cm 사포2개
• 기구 : 100mL 비커 6개, U자 유리관(내경이 7mm 이상) 6개, 집게 달린 도선 2개, 직류 전압계 1개, 100mL 눈금 실린더 1개, 자석 교반기와 자석 막대, 약수저 1개

3. 실험 원리

(1) 금속의 이온화 경향성

그림 출처: 비상 화학2 교과서

• 이온화 경향이 큰 금속과 이온화 경향이 작은 금속 이온이 반응하면 이온화 경향이 큰 금속은 이온화 경향이 작은 금속 이온에 전자를 주고 산화된다.
• 하지만 이온화 경향이 작은 금속과 이온화 경향이 큰 금속 이온 사이에는 반응이 일어나지 않는다.
• 또 금속 중 수소보다 이온화 경향이 큰 금속은 산 수용액과 반응하여 수소 기체를 발생하나, 수소보다 이온화 경향이 작은 금속은 산 수용액과 반응해도 수소 기체를 발생하지 않는다.

(2) 화학 전지

• 화학 전지 : 금속과 양이온의 자발적인 산화·환원 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 장치
• 금속 간의 산화 환원 반응이 수용액에서 자발적으로 일어나면 전자가 이동하고 열에너지가 방출되어 수용액의 온도가 높아진다.
• 수용액에서 금속 간의 산화 환원 반응이 일어날 때 전자의 이동이 도선을 통해 일어나도록 하면 회로에 전류가 흘러 전기 에너지를 얻을 수 있다. 이를 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치를 화학 전지라고 한다.
• 산화·환원 반응은 전자를 주고받는 반응으로 산화되는 물질과 환원되는 물질이 접촉하고 있으면 직접 전자를 주고받을 수 있다. 하지만 화학 전지는 전자를 간접적으로 주고받으며 전자의 이동이 일을 하게 만든 장치이다.
• 이 때 전지의 성능은 전위차에 의존한다. 화학 전지는 두 개의 극으로 구성되어 있는데, (-)극에서 산화되는 금속의 산화 반응성이 커서 전자를 쉽게 내놓을수록, (+)극에서 환원되는 금속의 양이온이 환원 반응성이 커서 전자와 잘 결합할수록 전위차가 크다.
• 전자는 산화전극에서 환원전극으로 흘러가므로, 전류는 환원전극에서 산화전극 쪽으로 흘러간다. 이 때 환원전극이 산화전극보다 전위가 더 높아서 환원전극을 (+)극, 산화전극을 (-)극이라고 부르기도 한다.

(3) 볼타전지 : 금속과 수소 이온 사이의 산화·환원 반응을 이용한 화학 전지

그림출처 : 비상 화학2 교과서

① 전지 구성

• (-)극 : 이온화 경향이 큰 마그네슘, 아연 등의 금속
• (+)극 : 전기를 잘 전도하면서도 산과 반응하지 않는 물질 (예) 구리
• 전해질 : 묽은 산을 사용

② 원리 : 볼타 전지에서는 (-)극에서 산화 반응에 의해 발생한 전자가 (+)극과의 전위차에 의해 도선을 따라 (-)극에서 (+)극으로 이동한다.

• 아연과 수소 이온의 반응은 자발적으로 일어나며 발열반응이다.

• 묽은 황산에 아연판과 구리판을 넣고 두 금속판을 도선으로 연결하면, 아연이 산화하여 생긴 전자가 도선을 통해 구리판으로 전달되고, 구리판에서 용액 중의 수소 이온이 환원되어 수소 기체가 발생한다.
• 이 과정에서 아연판에서는 전자가 생성되어 도선으로 이동했으므로 아연판은 (-)극이고, 구리판에서는 수소 이온의 환원에 필요한 전자가 도선으로부터 공급되었으므로 구리판은 (+)극이다.

• 이렇게 산화와 환원 반응이 도선으로 연결된 두 전극에서 분리하여 일어나도록 하면 전자가 도선을 통해 흐르게 되고 화학 에너지가 전기 에너지로 전환된다.

③ 볼타 전지의 한계

• (-)극에서 수소 이온의 환원 : 아연판에서 아연의 산화로 생성된 전자가 도선을 통해 구리판으로 전달되어 수소 이온의 환원에 쓰이지만, 수소 이온은 아연판 주위에도 존재하므로 아연판 주위에서도 수소 이온의 환원이 일어난다. 이러한 반응이 일어나는 만큼 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 효율이 낮아진다.
• 분극 현상 : (+)극에서 전해질의 양이온이 환원되어 생성되는 기체가 빨리 제거되지 않아 (-)극에서 이동해온 전자와 전해질의 양이온 사이의 결합이 느려져 전압이 떨어지는 분극 현상이 발생한다. 구리판에서 수소 기체가 발생하여 구리판을 둘러싸면 수소 이온이 구리판 표면에서 전자를 얻기 어려워지므로 전압이 급격하게 떨어진다.
• 분극 현상은 구리판에 달라붙는 수소 기체에 의해 나타난다. 따라서 분극 현상을 없애려면 구리판에 이산화 망가니즈와 같은 산화제를 넣어 수소 기체를 산화시켜 제거한다.

(4) 다니엘 전지 = 갈바니 전지 : 볼타 전지의 분극 현상을 해결하고 효율성을 높이기 위해 고안된 전지로 산화와 환원 반응이 서로 분리된 용액에서 일어난다.

그림출처 : 비상 화학2 교과서

① 다니엘 전지는 두 개의 용기를 사용하여 각각 금속과 그 금속의 양이온을 포함한 전해질을 넣어 염다리와 도선으로 연결한다. 산화 반응이 일어나는 아연판을 아연 이온이 들어 있는 황산 아연 수용액에 넣고, 환원 반응이 일어나는 구리판을 구리 이온이 들어 있는 황산 구리(Ⅱ) 수용액에 넣은 후 두 수용액을 염다리로 연결하여 만든다.

② 양쪽 전극의 수용액이 분리되어 있으므로 산화와 환원 반응이 분리되어 일어난다.

• (-)극에서는 금속이 양이온으로 녹아 들어가고 전자는 도선을 따라 (+)극으로 이동하여 양이온을 환원시킴으로써 (+)극에서는 금속이 석출된다. 이렇게 한 쪽은 양이온이 줄어들고 다른 쪽은 늘어나므로 전하의 불균형을 해소하기 위해 염다리에서 부족한 이온을 공급한다.
• 금속 위에 금속이 석출되어도 전극 반응에서 기체가 발생하지 않아 전해질과 전자의 결합이 방해받지 않으므로 분극현상이 없다.
• 하지만 두 개의 전해질을 사용하고 염다리를 사용하는 것은 불편해서 실용전지에서는 주로 볼타 전지 타입을 사용한다.

③ 염다리

• 전지에서 산화 반응이 일어나는 전극과 환원반응이 일어나는 전극이 담겨 있는 두 용액을 연결하는 장치
• 일반적으로 염화 칼륨, 질산 칼륨 등의 포화수용액을 한천과 함께 끓인 후 U자관에 부어 굳혀서 만든다.
• (-)극에서 산화 반응에 의해 용액에 양이온이 증가하는 만큼 염다리의 음이온이 공급되고, (+)극에서 환원 반응에 의해 용액 중의 양이온이 없어지는 만큼 염다리의 양이온이 공급되어 전기적으로 중성을 유지하므로 전하 균형이 유지되어 전극에서 반응이 계속 일어날 수 있다.

(5) 표준 환원 전위 : 수소 전극을 기준으로 25°C, 1기압, 1M의 전해질 농도에서 각 금속의 환원 반응의 전위를 측정한 값

① 이 값이 양으로 클수록 환원이 잘 일어나고, 이 값이 음으로 클수록 산화가 잘 일어난다.
② 표준 환원 전위가 클수록 화학 전지의 (+)극이 되기 쉽고, 작을수록 (-)극이 되기 쉽다.


(6) 전압계
① 단자 : (+)극 빨강색, (-)극이 검정색으로 되어 있다.
② 두 금속판 사이의 전압이 꼭 양수값이 되도록 측정하여야 한다.

4. 실험 유의사항

• 금속판은 크기가 같은 것으로 3개를 준비하고 사용하기 직전 사포로 갈아서 금속의 본래의 색과 광택이 나도록 준비한다.
• 사용한 후의 U자관은 KCl 포화 수용액에 넣어서 보관한다. 염다리를 여러 번 사용하면 이온의 분포가 균일하지 않고 한천이 녹아 나와 저항이 커지고, 심하면 유리관 내부에 공간이 생겨 기포가 들어가게 되면 용액에 담가도 제 역할을 하지 못한다.
• 한천과 포화된 KCl 용액의 부피 비율을 2:3으로 섞어 완전하게 녹을 때까지 가열한 후 U자관에 부어 염다리를 만든다. U자관 끝을 탈지면이나 유리솜으로 막고 응고시킨다.
• U자관의 끝에 있는 한천이 너무 단단하게 응고되지 않도록 주의한다. 너무 단단하게 응고되면 전류가 통하지 않게 되는 경우가 있다. 만약 염다리를 연결한 후에도 전류의 흐름이 관찰되지 않으면 유리 막대를 이용하여 한천을 조금 흔들어준다.
• 세 종류의 금속판 표면을 사포로 깨끗이 닦아 반응이 잘 일어나도록 준비한다.
• 한 번 사용한 금속판을 다시 사용할 때에는 반드시 사포로 표면을 닦는다.
• 이 실험에서 다루는 시약은 중금속을 포함하므로 실험이 끝난 후 반드시 폐수 통에 구분하여 버린다.
• 부피 플라스크를 사용할 때 정확한 양을 측정하기 위하여 마지막 눈금은 스포이트로 맞춘다.
• 스포이트는 눕히지 않고 세운 후 엄지와 검지를 이용하여 고무를 잡고, 나머지 세 손가락을 이용하여 유리관을 고정시킨 후 사용한다.
• 저울은 영점 조절을 한 후 사용한다.

5. 실험과정

A. 전기화학적 서열

1. 구리, 아연, 납으로 된 얇은 판을 가로와 세로가 각각 0.5 cm 정도로 두 개씩 잘라서 양면을 고운 사포로 깨끗하게 닦은 후 구리선을 연결한다.
2. 두 개의 비커에 1.0 M Cu(NO3)2 용액을 약 10 ml 씩 피펫으로 옮긴 후에 각 비커에 아연판과 납판을 담근다.
3. 같은 방법으로 1.0 M Zn(nNO3)2 용액에 구리판과 납판을 넣고, 1.0 M Pb(NO3)2 용액에는 구리판과 아연판을 담근다.
4. 각 비커에서 일어나는 화학 반응을 관찰하여 기록한다.

B. 화학 전지

1. 얇은 아연판과 구리판을 가로 1.0 cm, 세로 7.0 cm로 잘라서 양면을 고운 사포로 잘 닦은 후 구리선을 연결한다.
2. 100 mL 비커 두 개를 준비하여, 한 쪽에는 1.0 M Zn(NO3)2 용액 80 mL를 넣은 후에 아연판을 담그고, 다른 쪽에는 1.0 m Cu(NO3)2 용액 80mL를 넣고 구리판을 넣는다. 금속판이 용액에 5 cm 정도 잠기도록 하고, 두 비커를 염다리로 연결한다.
3. 아연판과 구리판에 디지털 전압계를 직류전압모드로 연결한다. 음수값이 나오면 단자를 반대로 연결하여 양수값이 나오도록 한다.
4. 전지의 전위차를 측정하여 기록한다.
5. 구리 용액과 구리판 대신에 1.0 M Pb(NO3)2 용액 80 mL에 납판을 넣는다.
6. 구리 전극과 납 전극을 연결하여 전위차를 측정한다.

6. 실험 결과

A. 전기화학적 서열
1. 각 비커에서 관찰한 사항
아연판과 납판이 들어있는 비커: 아연이 산화되고 납이 환원되었다.
구리판과 납판이 들어있는 비커: 납이 산화되고 구리가 환원되었다.
구리판과 아연판이 들어있는 비커: 아연이 산화되고 구리가 환원되었따.

2. 산화가 잘 되는 순서: 아연 > 납 > 구리

3. 환원이 잘 되는 순서: 아연 < 납 < 구리



B. 화학 전지
1. 전극 사이의 전위차

연결된 금속	0분	2분	4분	예상값 (=표준환원전위값)
Zn-Cu	0.998V	0.986V	0.978V	0.340+0.7618=1.102V
Zn-Pb	0.518V	0.518V	0.518V	-0.130+0.7618=0.632V
Cu-Pb	0.278V	0.272V	0.264V	0.340+0.130=0.476V

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2. 전극의 이름과 전극에서 일어나는 반응
(1) 아연 - 구리 전지
(환원전극) Cu2+ + 2e- → Cu
(산화전극) Zn → Zn2+ + 2e-

(2) 아연-납 전지
(환원전극) Pb2+ + 2e- → Pb
(산화전극) Zn → Zn2+ + 2e-


(3) 구리-납 전지
(환원전극) Cu2+ + 2e- → Cu
(산화전극) Pb → Pb2+ + 2e-

7. 고찰, 생각해볼 사항

(1) 만약 전극을 담그는 용액의 농도를 바꾸면 전압이 어떻게 바뀌겠는가?
네른스트 식에 의해 전압이 달라질 것이다.

(2) 시간이 지나면 두 전극 사이의 전위차는 어떻게 달라져 있겠는가?
감소할 것이다.

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

• 금속 표면의 불순물이 완전히 제거되지 않았을 것이다.
• 염다리의 농도, 염다리의 상태에 따라 오차가 발생한다.
• 표준 농도가 아니기 때문에 차이가 날 것이다.
• 또한 다니엘 전지에서는 농도차 분극, 과전위, 저항 전위 등의 영향으로 시간이 흐를 수록 전압이 감소한다.

[참고문헌]
화학2, 비상
화학2, 미래엔
표준일반화학실험 7판, 대한화학회
화학실험, 서울특별시교육청