일반화학실험 | 화학 전지

 

 

 

TIP

 

 

1. 화합물들 사이에 자발적으로 일어나는 전자 이동반응을 이용하여 전기에너지를 얻는 전지 의 원리를 알아보고 몇 가지 금속 이온의 전기화학적 서열을 확인한다.
2. 산화-환원 반응에 동반하는 전자의 흐름을 이용하여 만들어진 전자의 기본원리를 이해 하 고 전자의 전위차와 산화-환원력에 대해 알아본다.

 

 

 

전자를 이해하는 것은 화학을 이해하는 것이라고 해도 과언이 아니다. 전자는 원자들이 화학 결합을 통해서 분자를 만드는데 직접적으로 관여한다. 또한 화학의 중심에 자리잡고 있는 산/염기와 산화/환원은 전자를 통해 떼어놓을 수 없는 밀접한 관계를 지니고 있다. 생각해보면 전자는 참으로 신비스러운 입자이다.

 

질량은 양성자의 1840분의 1 밖에 안되면서도 전하의 절대값은 양성자와 같다. 딱히 어디 있다고 말하기도 어렵게 원자 크기의 전부를 전자구름으로 채우고 있으면서 저보다 수천 배나 무거운 원자핵의 위치를 지정한다. 원자핵들 사이의 거리와 각도 모두를 말이다. 전자가 없다면, 아니 전자가 관여하는 화학결합의 원리가 없다면 원자핵들은 무질서하게 뒤섞여 버릴 것이고, 분자는 아예 존재할 수 조차 없을 것이다.

 

전자가 가볍고 유동적인 것은 또한 전신 전화기, 라디오, TV, 반도체, 집적회로, 컴퓨터 등 각종 전자 기기의 존재 근거가 된다. 이렇게 인간의 삶은 편하고 풍요롭게 해주는 많은 전자 관련 장치 중에서 화학 전지는 역사적으로나 현실적으로나 아주 중요한 의미를 지닌다. 패러데이에 의하여 전자기 유도 법칙이 발견되고 발전이 가능해지기 이전에 이미 갈바니, 볼타 등에 의하여 화학 전지가 발명되었다. 그리고 이러한 화학 전지에 의하여 물의 전기분해, 금속염의 전기분해에 의한 금속 원소의 발견 등이 이루어졌다.

 

화학 전지의 원리의 배후에는 원소마다 전자를 원하는 정도, 즉 전자친화도 내지는 전기음성도가 다르다고 하는 사실이 들어있다. 이러한 전기음성도의 차이는 화합물들이 다양한 물리적, 화학적 성질을 나타내는 이유가 되기도 한다. 옥텟 규칙에 따라 만들어진 화합물이라고 해도 모든 전자가 결합을 이룬 양쪽 원자에 골고루 공유되어 있다면 우리가 알고 있는 자연의 아름다움과 물질 세계의 다양성은 찾아볼 수 없을 것이다. 전자를 원하는 정도가 다른 화학종들을 잘 연결하면 외부 회로를 통해 전자를 흐르게 할수도 있다. 즉, 두 화학종이 서로 전자를 잃고, 얻는 자발적인 화학 반응을 통해 전위차를 얻고, 회로를 통해 전자가 흐르게 되는 화학 전지를 꾸밀 수 있다.

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실험 방법

실험 1. 전기 전도도

1) 건전지에 LED를 연결하고 불이 잘 들어오나 확인한다.

 

2) 비커에 들어있는 증류수를 건전지 회로의 일부분이 되게 연결하고 LED에 불이 들어오나 본다.

 

3) 비커에 들어있는 설탕을 건전지 회로의 일부분이 되게 연결하고 LED에 불이 들어오나 본다.

 

4) 3)의 비커에 증류수를 가하고 저은 후 LED에 불이 들어오나 본다.

 

5) 비커에 들어있는 소금을 회로의 일부분이 되게 연결하고 LED에 불이 들어오나 본다.

 

6) 5)의 비커에 증류수를 가하고 저은 후 LED에 불이 들어오나 본다.

 

7) 회로에 귤을 연결하고 LED에 불이 들어오나 본다.

 

 

실험 2. 전기화학적 서열

1) Cu, Zn, Pb으로 된 얇은 판을 가로와 세로가 각각 0.5 ㎝ 정도 되게 두 개씩 잘라서 양면을 고운 사포로 깨끗하게 닦는다.

 

2) 두 개의 비커에 1.0 M Zn(NO₃)₂용액을 약 10 ㎖씩 피펫으로 옮긴 후에 각 비커에 Cu판과 Pb을 담근다. 같은 방법으로 1.0 M Pb(NO₃)₂ 용액에 Cu판과 Zn판을 넣고, 1.0 M Cu(NO₃)₂ 용액에는 Cu판과 Zn판을 담근다. 각 비커에서 일어나는 화학 반응을 관찰하여 기록한다.

 

 

실험 3. 화학전지(다니엘전지)

1) 얇은 아연판과 구리판을 가로 1㎝ 세로 7㎝로 잘라서 양면을 고운 사포로 잘 닦 는다.

 

2) 100 ㎖ 비커 두 개를 준비하여, 한 쪽에는 1.0 M Zn(NO₃)₂ 용액 80 ㎖를 넣은 후 아연판을 담그고 다른 쪽에는 1.0 M Cu(NO₃)₂ 용액 80 ㎖를 넣고 구리판을 넣는다. 금속 판이 용액에 5㎝ 정도 잠기도록 하고, 두 비커를 염다리로 연결한다.

 

3) 아연판과 구리판에 직류 전압계를 연결하여 전지의 전위차를 측정하여 기록한다. 전압계에는 스위치를 장치해서 회로의 연결과 끊음을 쉽게 하는 것이 좋다.

 

4) 구리 용액과 구리판 대신에 1.0 M Pb(NO₃)₂ 용액 80 ㎖와 납판을 아연 전극과 연결하여 전위차를 측정한다. 마지막으로 구리 전극과 납 전극을 연결하여 전위차를 측정한다.

 

5) Cu(NO₃)₂ 용액을 10배씩 묽혀서 0.1 M, 0.01 M, 0.001 M 용액을 만든다. 이 용액을 각각 0.1 M Zn(NO₃)₂ 용액과 연결하여 다니엘 전지를 만든 후 전위값을 측정하고 예상한 값과 비교한다. 묽힌 용액으로 전극을 잘 씻어준 다음에 전위를 측정하는 것이 좋다.

 

실험 4. 잘 녹지 않는 염의 용해도곱 측정(염다리측정)

1) 다음과 같은 다니엘 전지를 만들어보자. 0.010M AgNO₃와 0.020M Zn(NO₃)₂ 용액의 부피는 50 ㎖로 한다. (부피를 정확하게 해야 한다.)

 

2) 만든 전지의 전압을 측정하고 계산값과 비교해 보자.

 

3) 오른쪽 반쪽 전지의 AgNO₃용액에 KCl(s)를 가하면 AgCl(s)침전이 생성될 것이다.

 

4) 최종 [K⁺]가 0.030 M이 되도록 하고 전압을 측정한다. (KCl을 첨가해 준 다음에는 용액내의 은이온 농도가 고르도록 잘 흔들어 준 다음에 전압을 측정해야한다.)

 

 

 

일반화학실험 : 화학 전지 레포트