일반화학실험 | 전기화학

 

 

 

TIP

 

 

여러 금속들의 부식을 살펴보고 이를 통해 전기 화학에 대한 기초지식과 전기화학계열에 대한 이해를 한다. 또한 우리 주변에서 자주 볼 수 있는 여러 금속제품들의 쓰임새에 따른 원리를 생각해본다.

 

 

 

전기 화학

전기현상과 이에 따르는 화학변화와의 관계를 연구하는 화학의 한 분야이다. 전지·전기분해·계면 저기현상·전기열화학과 기체 내 방전 외에 고체·액체·기체의 구조, 물체 내의 도전현상·이온화 상태 등을 연구한다. 역사적으로는 18세기 이탈리아의 L.A.갈바니와 A.볼타의 기전력의 개념과 전지발명에서 비롯되었다. 그 후 전기분해에 관한 패러데이의 법칙(1883), 아레니우스의 이온화설(1887), 강한 전해질에서의 디바이-휘켈의 이론(1923)등이 제출되고, 또 열역학·양자역학·통계역학 등 물리학의 여러 이론과 절대반응속도론의 발달과 더불어 전극반응 등의 연구가 진전되었다.

 

특히 전기화학의 원리를 응용한 분석법의 발전은 주목할 만하며, 화학의 여러 분야에서 각종 측정법으로 널리 이용되고 있다. 또, 전기화학반응을 이용하여 공업 및 전기로에서 얻을 수 있는 고온을 이용하는 화학공업을 포함한 전기공업으로도 발전하고 있다.

 

전기화학의 영역은 순수과학적인 경우, 기초계면 전기화학, 전극과 전해질 재료, 분자적기화학, 전기화학적 에너지 변환, 부식 및 전해석출과 표면처리, 공업전기화학과 전기화학공학, 생물전기화학 등으로 분류할 수 있다. 응용자연과학적인 경우에는 전지, 부식, 유전체과학과 기술, 전해석출, 전지공학, 에너지공학, 고온재료, 공업전해와 전기화학공학, 형광과 표시재료, 유기생물 전기화학, 물리전기화학으로 분류한다.

 

오늘날 알루미늄은 창틀이나 문틀, 자동차 몸체 등, 많은 제품들에 사용되고 있는데 이러한 제품들은 대개 외부(기후의 변화나, 빛 등)에서 자주 또는 장시간 사용되는 것들이다. 그럼 우리의 생활주변에서 흔히 볼 수 있는 이러한 제품들을 왜 알루미늄으로 만드는 것일까?

 

많은 금속들, 특히 염기성 금속들이라 불리는 금속들은 공기나 물, 이산화황, 이산화탄소의 영향에 꽤나 불안정한 물질들이다. 그러나 전기화학계열에 있어 매우 불안정함에도 불구하고 공기 중에서 꽤 안정한 금속들이 있는데, 이러한 금속으로 잘 알려진 금속이 바로 알루미늄이다.

 

오래 전부터 금과 은은 수천 년 동안 변화가 없을 정도로 매우 안정해서 실용품이나 장신구로 사용되어 왔다. 구리를 포함하고 있는 청동제품이 땅속에서 비교적 빨리 녹슬어 버리는 것과는 달리, 오래된 구리제품들은 그 표면에 구별할 수 있는 변화만을 보여주며 코팅이 되어 있는 경우에는 그 변화가 거의 없을 정도로 안정하다.

 

 

철로 만들어진 제품들은 금이나 은으로 만들어진 것보다 훨씬 얇고 강하지만, 공기 중이나 물 또는 땅속에서 겨우 수 십 년 만에 사라져 버린다. 이러한 금속이 파괴되는 과정을 부식이라 하며, 그 원인을 전기화학을 통하여 설명할 수 있다. 그리고 이를 이용하여 쓸모 있는 금속제품들을 보호할 수 있는 방법들을 고안해 낼 수 있다.

 

금속들은 전자를 쉽게 내어놓으려는 성질을 갖고 있는데 저마다 그 능력이 다르다. 철이 녹이 스는 것은 자신이 갖고 있던 전자를 쉽게 내어주기 때문인데, 철보다 더 전자를 잘 내어놓는 어떤 금속이 철에 입혀져 있다면 철 대신 이 금속이 전자를 내어놓거나 혹 철이 전자를 내어도 이 금속으로부터 전자가 보충되므로 녹이 슬지 않을 것이다. 이렇게 전자를 내놓는 능력에 따라 금속을 나열해 놓은 것을 전기화학계열이라 한다. 이러한 능력의 정도는 비교하고자 하는 금속들의 전지를 구성하여 전압을 측정하여 결정할 수 있다.

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실험 방법

실험 1. 여러 금속의 변화

1) measuring cell block에 4개의 50 ㎖ 의 비이커를 옆의 그림과 같이 준비한다.

 

2) 1,2,3번 비이커에 각각 10% 염산용액을 25 ㎖ 씩 넣는다. 4번 비이커에는 0.1M 황산구리용액을 25 ㎖를 넣는다.

 

3) 각각의 비이커에는 구리판조각(1번), 철판조각(2번), 아연판조각(3번)을 그리고 4번 비이커에는 약간의 철사다발(4번)을 넣고 변화를 관찰한다.

 

 

실험 2. 금속 쌍들의 변화

1) 악어클립을 이용해서 두 금속판조각을 그림과 같이 잡는다. 아래쪽의 금속판끼리의 거리는 최소한 15～20 ㎜ 가 되어야한다. 금속판의 쌍들은 구리와 아연, 구리와 철, 아연과 철 이렇게 세 가지를 준비한다.

 

2) measuring cell block 에 3개의 50 ㎖의 비이커를 준비하고 1, 2, 3번 비이커에 각각 10% 염산용액을 25 ㎖씩 넣는다. 준비한 금속판 쌍을 담그고 변화를 관찰한다.

 

실험 3. 알루미늄의 변화

1) 옆의 그림과 같이 measuring cell block에 3개의 50㎖ 의 비이커를 준비하고 1, 2, 3번 비이커에 차례로 0.2M 황산구리 용액, 증류수, 10% 염산용액을 20 ㎖ 씩 넣는다.

① 철판조각을 1번 황산구리용액에 약 1초간 담근 후꺼낸다. 변화를 관찰 기록한다.

② 알루미늄 판 조각을 1번 황산구리 용액에 담근다. 3～4분 동안 변화를 관찰 기록한다.

③ 알루미늄 판을 꺼내어 2번 비이커의 증류수에 충분히 헹구어 준 후, 3번 10% 염산용액에 담근다. 10분 동안 변화를 관찰 기록한다.

④ 알루미늄 판을 꺼내어 2번 비이커의 증류수에 2～3 회 헹군 다음, 즉시 1번 황산구리 용액에 3～4초간 담갔다가 꺼낸다. 실험과정동안의 알루미늄 판의 변화를 기록한다.

 

실험 4. 전기화학계열

1) measuring cell block에 각각 0.1M 황산아연용액(1번 cell), 0.1M 질산납용액(2번 cell), 0.1M 황산구리용액(3번), 0.1M 질산은용액(4번)을 10 ㎖ 정도 넣는다(주의: 용액끼리 섞이지 않도록 한다.)

 

2) 준비된 거름종이조각을 1M 질산칼륨용액에 적신 후, 옆의 그림에서와 같이 X자 모양으로 담근다.(염다리) cell 뚜껑을 닫고 준비한 금속판을 아연(1번), 납(2번), 구리(3번), 은(4번) 차례로 cell 뚜껑에 끼우고, 1번을 음극으로 하여 2번, 3번 4번 cell을 차례로 양극으로 하여 전압을 측정한다.

 

 

 

 

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