[일반화학실험] 19. 전기분해와 전기도금(황산 구리 수용액의 전기 분해) 실험 보고서 레포트
1. 목적
(1) 전기 에너지를 이용해서 일어나는 화학 반응에 대하여 알아본다.
(2) 황산 구리 수용액의 전기 분해를 통해 패러데이 법칙을 확인한다.
2. 실험 기구&시약
- 시약 : 0.1M 황산 구리(CuSO4) 수용액 100mL, 2cm X 7cm 구리(Cu)판 1개, 길이 5cm 탄소 전극 1개, 거름종이 1장
- 기구 : 직류 전원 장치(전류계 기능 있는 것) 1대, 집게 전선 3개, 200mL 비커 2개, 20mL 눈금 실린더 1개, 클램프 달린 스탠드 1개, 초시계 1개, 거름 장치 1세트
3. 실험 원리
(1) 전기 분해 : 전원에서 공급되는 전류에 의해 일어나는 화학 반응
| 화학전지 | 전기분해 |
| 자발적인 화학 반응에서 전류가 발생 환원력이 큰 물질이 들어있는 전극에서 산화력이 큰 물질이 들어 있는 전극으로 전류가 흐름 |
전기 에너지를 소비하여 비자발적인 반응을 일으키며, 염이나 산· 염기 등의 물질을 분해 반대 방향으로 전류가 흐르도록 외부에서 전류를 강제로 흘려주면 환원력이 더 큰 물질이 환원되고, 산화력이 더 큰 물질은 산화되는 반응이 일어남 |
- 전해질 용액에 직류 전기를 통해 전류를 주면 전지의 (-)극으로부터 흘러나온 전자가 전기 분해 장치의 (-)극에 모이게 되어, 이곳에서 전해질 용액의 양이온과 전자의 반응이 일어난다.
- 물질을 전기 분해할 때 (-)극에서는 산화력이 큰 물질이 환원되고, (+)극에서는 환원력이 큰 물질이 산화된다.
- 전기 분해를 일으키기 위해서는 두 물질이 화학전지를 형성할 때 나타내는 전압보다 더 큰 전압으로 외부에서 전류를 공급해야 한다.
(2) 수용액의 전기 분해
- 염의 용융액 전기 분해 : 염의 양이온이 (-)극에서 금속으로 환원되고 염의 음이온이 (+)극에서 산화되어 홑원소 물질이 된다.
- 수용액의 전기 분해 : 수용액에는 용질의 이온화나 해리에 의해서 생성된 이온 이외에 물이 함께 존재하므로 물보다 표준 환원 전위가 큰 물질만이 수용액에서 환원될 수 있고, 물보다 산화가 잘 되는 물질만이 수용액에서 산화될 수 있다. → 이러한 물질의 경쟁은 표준 환원 전위를 비교해야 한다.
- 아울러, 과전압 등의 문제로 전위값의 단순비교로 산화 및 환원되는 물질의 예측이 그리 간단하지 않다.
(3) 전기도금 : 용액 속 금속 이온이 환원되어 전극의 표면에 코팅되는 것
(4) 패러데이 법칙
- 패러데이 법칙 : 전기 분해에서 석출되는 금속의 질량은 흘려준 전자의 양에 비례한다. 전자의 양은 전자의 전하량을 이용하여 간접적으로 측정할 수 있다.
- 전자 1개의 전하량 : -1.602×10^-19C
- 전자 1몰은 +1가 양이온 1몰을 환원시킬 수 있다.
- 1F(패러데이) : 전자 1몰이 가지는 전하량
- 1F=-1.602×10^-19C·개^-1 × 6.022 ×10^23개·mol-1 = 96480C·mol^-1
- 전자 1몰 즉, 1F에 의해 석출되는 물질의 양을 1당량이라고 한다.
▶ 전기 분해를 통해 공급한 전하량 = (전류의 세기)×(시간)
(5) 실험 반응
(6) 실험 계산
- 두 극에서 생성되는 산소 기체와 구리의 양과 흘려준 전하량을 측정하여 패러데이 법칙이 잘 성립하는가를 확인하는 것이 이번 실험의 목적이다.
- 산소의 양 : 부피를 측정해 기체상태방정식으로 구한다.
- 구리의 양 : 생성물의 질량을 측정해서 구한다.
- 전자 2몰에 의해 산소 0.5몰과 구리 1몰이 생성된다. 그러므로 산소 기체 1몰은 4당량에 해당되고, 구리 금속 1몰은 2당량에 해당된다.
- 전기 분해를 통해 공급한 전하량을 계산 : 전류의 세기×시간(초)
- 이번 실험처럼 전류의 세기가 일정하지 않은 경우 : 공급한 전하량을 측정하기 위해 시간에 따라 전류의 변화를 측정하여 적분을 해야 하지만, 적분이 어려운 경우는 시간-전류의 그래프를 그려 면적을 구한다.
4. 실험 유의점
- 유리관 안에 탄소 전극을 넣어서 구리 전극과 탄소 전극이 서로 닿지 않도록 한다. 탄소 전극을 유리관에 넣지 않고 실험할 경우에는 탄소 전극에 가까운 부분의 구리 전극에서 구리가 너무 많이 석출되어서 전극에서 떨어져버릴 가능성이 있다.
- 전류계는 내부 저항이 작을수록 좋고, 전압계는 내부 저항이 큰 디지털 전압계를 사용하는 것이 좋다.
- 직류 전원으로 건전지를 사용하면 내부 저항이 커서 전압이 낮아지므로 일정 전압 전원을 사용하는 것이 좋다.
- 직류 전원 장치의 사용에 주의한다.
- 요오드가 손에 묻으면 즉시 티오(싸이오)황산나트륨을 사용하여 지운다.
- 실험하는 동안 창문을 열어 두어 환기가 잘 되도록 한다.
5. 실험 과정
- 100 mL 비커에 0.1M 황산구리 용액 약 80 mL 를 채운다.
- 구리 전극과 탄소 전극의 표면을 고운 사포로 닦아서 표면을 깨끗하게 만들고, 구리 전극의 무게를 mgㄲ지 정확하게 잰 후에 두 전극을 모두 용액에 담근다. 두 전극이 모두 용액에 5cm 정도 잠기도록 한다. 탄소 전극은 유리관에 넣어서 사용하는 것이 좋고, 두 전극이 서로 닿지 않도록 한다.
- 3.0V 이상의 직류(DC) 전원의 (-)극은 구리 전극에 연결하고, (+)극은 탄소 전극에 연결한다. (COMMENT: 전기분해에서는 (+)극이 산화 전극, (-)극이 환원전극이다. 따라서 물은 산화되어 수소 이온과 산소 기체를 만들어 내고, 구리이온은 구리로 석출된다.)
- 전압계는 병렬로 연결하고, 전류계는 직렬로 연결한다.
- 스위치를 켜서 전류를 흘려주면서 정확하게 30분 동안 반응을 진행시키면서 1분 간격으로 전류와 전압을 기록한다.
- 구리 전극을 꺼내서 말린 후에 무개를 잰다.
6. 실험결과
1. 석출된 구리의 무게 : 0.157g
2. 흘려준 전하량(전기량)(시간에 따른 전류의 그래프 면적) : 362.4C
3. 두 전극에서 일어나는 반응
(1) 구리전극(-)극
(2) 탄소전극(+)극
4. 위에서 흘려준 전기량으로 석출되어야 할 구리의 무게를 계산하고 식제 석출된 양과 비교한다.
(질량 대신 당량으로 계산하였음)
(1) 이론적 생성 질량 = 당량 : 362.4 C / (96480C / 당량 ) = 3.756×10^-3당량)
(2) 실제 석출된 양
- 0.157g /63.546gmol^-1 = 2.47×10^-3 mol
- 전자 2몰에 의해 산소 1/2몰, 구리 1몰이 생성되므로 산소 기체 1몰은 4당량, 구리 1몰은 2당량이다.
- 따라서 생성된 구리의 당량은 2×2.47×10^-3 = 4.9410^-3 당량
오차 계산
7. 고찰, 생각해볼 사항
(1) 전압을 일정하게 걸어줄 때 시간에 따라 전류가 변하는 이유를 설명해보자.
- 농도차 분극, 과전위, 저항전위 현상이 나타나기 때문
- 시간의 흐름에 따라 전해질의 농도도 변하고 전극의 거리, 표면적이 변하기 때문이다.
(2) 전류를 일정하게 흐를 수 있도록 할 수 있을까?
- 감극제를 사용한다. H2O2, KMnO4, K2Cr2O7, MnO2
- 삼전극 전위를 사용한다.
(3) 구리 전극의 무게를 잰 후에 전원의 극을 서로 바꾸면 어떻게 될까?
비자발적 반응으로 아무런 반응이 일어나지 않는다.
참고문헌
표준일반화학실험(제7판), 대한화학회
화학실험, 서울특별시교육청