화학 전지 실험(기전력 측정, 전해질 농도와 전지 전위와의 관계)

🧪 실험 목표

  화학 전지를 구성해 기전력을 측정하고, 전해질의 농도와 전지 전위와의 관계를 알아본다.

🧪 실험 원리

✏️ 반쪽전지

  반쪽 전지(Half-cell)는 금속과 금속 이온이 포함된 수용액으로 구성되어 있으며, 반쪽 전지에서 표준 상태란 수용액 속 금속 이온의 농도가 1.0 M일 때를 의미한다. 예를 들어 순수한 Zn 금속과 1.0 M Zn²⁺(aq) 수용액은 표준 Zn | Zn²⁺ 반쪽 전지를 구성한다. 반쪽 전지에서 금속은 전극(electrode)이라고 한다.

화학전지 모식도

✏️ 화학 전지

  화학 전지는 두 개의 반쪽 전지가 도선과 염다리로 연결되며 형성된다. 두 전극을 도선으로 연결하면 자발적인 산화·환원 반응에 의해 산화가 일어나는 산화 전극(anode)에서 환원이 일어나는 환원 전극(cathode)으로 전자가 이동하며 전류가 흐른다. 이때 전지의 성능은 전위차에 의존한다. 화학 전지는 (-)극 금속의 산화 반응성이 커서 전자를 쉽게 내놓을수록, (+)극 금속 양이온의 환원 반응성이 커서 전자와 잘 결합할수록 전하의 불균형이 커지며 큰 전압과 전류를 발생한다. 이때 전해질 수용액 중 한 쪽은 양이온이 감소하고 다른 쪽은 증가하며 생기는 전하의 불균형은 염다리(salt bridge)를 설치해 해결할 수 있다.

표준 수소 전극으로 표준 환원 전위를 측정한다.

✏️ 표준 환원 전위

  표준 환원 전위(standard reduction potential, E°)는 표준 상태에서 표준 수소 전극을 기준으로 각 반쪽 전지에서 금속의 환원 반응의 전위를 측정한 값이다. 이 값이 양으로 클수록 환원이 잘 일어나고, 이 값이 음으로 클수록 산화가 잘 일어난다. 표준 환원 전위가 클수록 화학 전지의 (+)극이 되기 쉽고, 작을수록 (-)극이 되기 쉽다. 표준 상태에서 전지의 전위(표준 전지 전위, E°_cell)는 다음과 같이 계산한다.

표준 전지 전위 식

✏️ 네른스트 식

  표준 전지 전위와 표준 깁스 자유 에너지는 다음과 같은 관계를 가진다.

F : 패러데이 상수

  전지 반응에 참여하는 화합물이 표준 상태에 있지 않을 때는 다음과 같은 관계를 가진다.  

R : 기체상수, T : 절대온도, Q : 반응계수

  이처럼 전지의 전압과 농도 사이의 관계를 나타내는 식을 네른스트 식(Nernst Equation)이라 하며, 이를 이용해 표준 조건이 아닌 상태에서의 전지 기전력을 알아낼 수 있다.

표준 환원 전위표

🧪 시약 및 기구

  1.0 M 황산아연(ZnSO₄, Zinc sulfate), 1.0 M 황산구리(CuSO₄, Copper sulfate), 구리(Cu)판, 아연(Zn)판 각 4개, 사포, 멀티미터(또는 전압계) 1개, 시험관 8개, 시험관대, 100 mL 부피플라스크 4개, 염다리, 피펫

📌 유의 사항

1) 금속판은 크기가 같은 것으로 준비하고 사용하기 직전 사포로 갈아서 금속 표면의 산화막을 제거한다.

2) 금속염 수용액은 피부에 자극적일 수 있으니 피부에 닿으면 깨끗한 물로 충분히 씻는다.

🧪 실험 방법

💡 전지의 기전력 측정

1. 시험관 2개를 준비하여 1.0 M CuSO₄, 1.0 M ZnSO₄ 수용액을 각각 담는다.

2. CuSO₄ 수용액에는 Cu판을, ZnSO₄ 수용액에는 Zn판을 꽂는다.

3. 서로 다른 금속이 담긴 시험관 두개를 염다리로 연결한다.

4. 각 반쪽전지를 멀티미터에 연결하여 전압(기전력)을 측정한다.

멀티미터로 기전력을 측정한다.

 

💡 전해질 농도와 전지 전위와의 관계

1. 피펫을 이용해 1.0 M CuSO₄ 수용액 10 mL를 정확히 취해 100 mL 부피플라스크에 넣고 증류수를 눈금까지 채워 0.1 M CuSO₄ 수용액을 만든다.

2. 피펫을 이용해 0.1 M CuSO₄ 수용액 10 mL를 정확히 취해 100 mL 부피플라스크에 넣고 증류수를 눈금까지 채워 0.01 M CuSO₄ 수용액을 만든다.

3. 피펫을 이용해 0.01 M CuSO₄ 수용액 10 mL를 정확히 취해 100 mL 부피플라스크에 넣고 증류수를 눈금까지 채워 0.001 M CuSO₄ 수용액을 만든다.

4. 위에서 만든 CuSO₄ 수용액을 각각 시험관에 담고, Cu판을 꽂는다.

5. 1.0 M ZnSO₄ 용액을 3개의 시험관에 담고, Zn 판을 꽂는다.

6. 서로 다른 금속이 담긴 두 시험관을 염다리로 연결한 후, 멀티미터로 전압을 측정한다.

각각의 기전력을 측정한다.

🧪 결과 및 분석

✔️ 전지의 기전력 측정

❓ 표준 환원 전위를 이용해 전지의 기전력을 계산하고, 실험에서 측정한 값과 비교한다.

  표준 기전력 = 0.34-(-0.76) = 1.10 V

  측정 기전력 = 1.09 V

 

❓표준 환원 전위를 참고한 전지의 기전력과 측정한 값이 다른 이유는 무엇인가?

  표준 환원 전위는 25 ℃로 측정된 값으로 위 실험에서 온도의 영향을 배재하였다.

  금속판의 면적이 다르거나, 금속판 산화막으로 인해 전압이 떨어 졌을 것이다.

 

✔️ 전해질 농도와 전위와의 관계

❓실험에서 얻은 값을 다음 표에 정리한다.

[Cu2+(aq)] (M)	log[Cu2+(aq)]	Ecell(vs Zn l Zn2+ (1.0 M)) (V)
1.0	0	1.076
0.1	-1	1.075
0.01	-2	1.064
0.001	-3	1.056

❓전해질 농도와 전지 전위와의 관계를 분석하면?

  구리 이온(Cu²⁺)의 농도가 1/10로 감소해도 전지의 전위는 크게 감소하지 않았다. 이는 구리(Cu)와 아연(Zn)의 전위차는 일정해 동일한 전압을 발생한다고 볼 수 있다. 다만, 농도가 낮으면 반응할 수 있는 양이 적어 전지의 용량이 줄어들 것이다.

 

** 염다리 만드는 방법

1. 비커에 따뜻한 물 60 mL를 담고 질산칼륨(KNO₃) 약 15g을 녹인다.

2. 질산 칼륨이 다 녹으면 한천가루 약 5 g을 넣어 천천히 저어준다.

3. 식으며 점성이 생긴 용액을 주사기에 담고 비닐관에 천천히 넣어준다.

4. 비닐관 중간에 기포가 생기지 않도록 하고, 비닐관에서 약간 굳힌 뒤 사용한다.

비닐관에서 흐르지 않을 정도의 점도가 필요하다.