일반화학실험 | 전기분해와 도금

 

 

 

TIP

 

 

1. 전기 에너지를 이용해서 일어나는 화학 반응에 대하여 알아본다.
2. 황산구리 용액의 전기분해 실습하고 석출된 금속의 무게를 측정하여 흐른 전기량을 계산하는 방법을 습득한다.

 

 

 

패러데이의 전기분해법칙 (Faraday's law of electrolysis)

전해질용액을 전기분해할 때 ① 전극에서 석출하는 물질의 질량은 용액을 통과한 전기량과 물질의 원자량에 비례하고, 그 물질의 원자값에 반비례한다. ② 1g당량의 물질을 석출시키는 데 필요한 전기량은 물질의 종류에 관계없이 일정한 값을 지닌다. 즉 전기분해에 의해 분해되는 물질의 양은 전극의 형태나 물질의 종류 ․농도 등 에 관계없이 그 물질의 원자론적 성질(원자량 ․원자가)만으로 결정된다는 것을 나타낸다.

 

전기화학의 기초법칙일 뿐만 아니라, 이것과 아보가드로의 법칙을 연결시킴으로써 물질의 원자구조와 관련해서 전기량에도 최소패러데이의 법칙(Faraday's law) 단위(기본전하량)가 존재한다는 것이 처음으로 예측되었다. 1 g당량의 물질을 석출시키는 전기량을 패러데이상수, 1C(쿨롬)의 전기량에 의해 석출되는 물질의 양을 그 물질의 전기화학당량이라 한다.

 

구리 이온이 녹아 있는 용액에 아연 조각을 넣으면 구리 이온은 환원되고 아연이 산화되는 반응이 자발적으로 일어난다. 그러나 아연 용액에 구리 조각을 넣으면 아무런 반응이 일어나지 않는다. 이 때 용액에 흑연 막대기를 담그고, 충분히 높은 전압의 직류 전원의 (-)극을 구리 조각에 연결하고, (+)극을 흑연 막대에 연결하면 구리 조각으로 전자가 흘러가기 때문에 용액 속의 아연이 환원되어 구리 표면에 석출된다.

 

이때 흑연 막대에서는 전자가 직류 전원으로 흘러가야 하기 때문에 물이 산화되어 산소가 발생하게 되고, 용액 속에는 수소 이온(H+)이 남게 된다. 구리 조각과 흑연 막대를 두개의 서로 떨어진 용액에 담그고 두 전극을 염다리로 연결해도 같은 반응이 진행된다. 이 때 구리 조각에 석출되는 아연의 무게는 패러데이의 법칙에 따라 전극을 통하여 흘려준 전하량에 비례한다. 전하량은 흔히 전자 1몰이 가지고 있는 전하량인 96,485.31C/㏖(쿨롱)을 나타내는 (패러데이 상수)를 이용해서 나타낸다. 따라서 1만큼의 전하량을 흘려주면 1당량1)에 해당하는 물질이 석출된다. 예를 들어서 +2가의 이온인 아연 이온의 경우에서 1 의전하량을 흘려주면 0.5몰에 해당하는 아연이 석출된다.

 

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

(1) 동전을 질산용액(진한질산:증류수=1:1)에 핀셋을 이용하여 잠깐 담근 후, 사포로 이물질을 제거하고 나서 흐르는 물로 깨끗하게 씻어준 후 잘 말린다. 잘 말린 동전의 무게를 정확하게 측정하고 기록한다.

 

(2) 동전을 사포로 잘 문질러 표면의 이물질을 완전히 제거한 후 흐르는 물로 깨끗이 씻어준다.

 

(3) 3.0 V 이상의 직류(DC)전원을 전압계로 확인하고, 전류계를 직렬로 연결한다.

 

(4) 가는 막대(나무젓가락 등), 스탠드, 전선 및 악어 집게를 이용하여 전극을 고정하고 (-)극에는 동전을, (+)극에는 구리 전극을 연결하여 100㎖비커 속에 넣는다. 이때 동전과 구리 전극은 서로 닿지 않도록 하고 마주 보게 된다.

 

 

(5) 0.1M 황산구리(CuSO₄)용액을 동전과 구리전극이 잠길 때까지 따르면 전류가 흐르게 된다. 이때 각 전극의 악어 집게에는 용액이 닿지 않도록 주의한다.

 

(6) 반응을 약 30분 동안 진행시키면서 2분 간격으로 전류를 기록한다.

 

(7) 30분 후 동전을 조심스럽게 꺼내고, 석출된 구리가 떨어지지 않도록 동전의 표면을 물로 씻고 잘 말린후 무게를 잰다

 

(8) 실험이 끝난 후 테스터기의 전원을 끈다.

 

 

 

[일반화학실험]전기분해와 도금 레포트