볼타 세포 및 갈바니 세포 | 전기 화학 세포

핵심 개념

갈바닉 세포 에 대한이 튜토리얼에서 , AKA 볼타 세포 , 산화 환원 반응의 기본 사항 과이 정보를 전기 화학 세포에 적용하는 방법을 배웁니다. 또한 전극에서 발생하는 반 반응을 결정하고 이러한 표준 반 반응 전위를 사용하여 세포 전위를 계산하는 방법을 배웁니다.

전기 화학적 세포의 두 가지 유형이 있습니다 - 갈바닉 세포라고도 불리는 볼타 세포와 전해 세포가 있습니다. 볼타 세포는 전기를 생산하는 반면 전해 세포는 전원을 사용하여 반응을 향한 반응을 유도합니다.

다른 기사에서 다루는 주제

전기 화학이란 무엇입니까?
표준 감소 전위
전해 세포
산화 환원 반응 균형
산화 수 계산

산화 감소 반응의 기초

전기 화학적 공정에서, 전자는 산화 감소 (산화 환원) 반응으로 알려진 다른 물질로 하나의 물질에서 다른 물질로 흐릅니다. 산화 환원 반응은 산화제라고 불리는 물질이 전자를 복용하고 감소함으로써 다른 물질을 산화시킬 때 발생합니다. 산화 환원 반응에서, 전자의 전달 방향을 기억하는 간단한 니모닉은“오일 리그”이며,“산화가 잃어 버리고 감소가 증가하고있다”. 이것은 산화에서 종이 전자를 잃는 동안 전자를 잃는 동안 종은 전자를 얻는다는 사실을 나타냅니다.

산화성 반응과 같은 산화 환원 반응이 아닌 반응에서, 요소의 산화 상태는 변하지 않는다.

산화 반응의 간단한 예는 다음과 같이 일산화탄소와의 철 (II)의 반응입니다.

이 반응에서, 철은 +3 내지 0의 산화 상태에서 감소하는 반면, 탄소는 +2 내지 +4의 산화 상태로 산화된다. 모든 산화 환원 반응은 하나의 종을 산화시키고 한 종의 종을 감소시킬 것입니다.

산화 환원 반응이 진행됨에 따라 바나듐과 같은 일부 요소는 여러 산화 상태를 통해 진행될 수 있습니다.

감소 전위

전압으로도 알려진 전위는 전기 화학에서 매우 중요한 개념입니다. 그것은 하나의 전하에 의해 전달 된 줄로의 에너지를 나타냅니다. 원자와 이온을 포함한 모든 화학 종에는 전자를 수용 할 특정“의지”가 있습니다. 이것을 표준 감소 전위라고합니다 및 볼트 (J/C)로 측정됩니다. 감소 전위는 전기 음성 및 전자 친화력과 다르지만 둘 다와 관련이 있습니다. 감소 잠재력이 긍정적 일수록 감소가 더 선호됩니다.

절반 반응은 원자/이온이 전자를 수용하는 과정이기 때문에, 해당 반 반응의 호의는 감소 전위로 표현 될 수있다. 반대로, 산화 반 반응은 수용되는 전자의 반대를 나타내므로, 감소 전위의 음성으로 표현 될 것이다. 산화 및 감소 반 반응을 합산하면 전체 산화 환원 반응 방정식이 제공됩니다. 같은 방식으로, 감소 및 산화 전위를 합산하면 전반적인 반응의 가능성이 있습니다. 잠재력은 주어진 반 반응에 대해 정적입니다. 가치는 변하지 않기 때문에 표준 감소 전위의 표는 전기 화학 주의자의 가장 친한 친구입니다.

전위 계산

이 맥락에서 전압에 대한 표기법은 e ( "e-naught")입니다. e _빨간색 감소 전위 및 e _ox를 나타냅니다 산화를 나타냅니다. e _셀 또는 반응의 전반적인 잠재력은 단순히 e _red의 합입니다. 및 e _ox . 다음은 이것을 모두 정리하는 예입니다.

감소 반 반응 :cl ₂ + 2E → 2Cl

테이블 에서이 반 반응은 +1.36 볼트의 잠재력 → 입니다. e _빨간색 =1.36v.

산화 반 반응 :al → al + 3e

테이블에서 알루미늄의 감소는 -1.66 볼트의 전압을 갖습니다. 그러나 이것은 감소가 아니라 알루미늄의 산화입니다. 따라서, 반대 전압이 사용되므로 E ox =-e _빨간색 =1.66v.

순 산화 환원 반응 :3Cl ₂ + 2al → 2Alcl 3

e _셀 =e _빨간색 + e _ox =1.36V + 1.66V =3.02V

그러나 잠깐, 화학량 론적…

일부는 "순 반응의 절반 반응에 3을 곱하면 왜 잠재력이 3을 곱하지 않습니까?" 감소 잠재력은 화학량 론에 적용되지 않는 화학의 몇 안되는 곳 중 하나입니다. 간단한 이유 :전압은 비율이라는 것을 기억하십시오. "충전 쿨롱에 따라 얼마나 많은 에너지가 전달됩니까?" 알루미늄보다 3 배 많은 염소 원자가 감소해야하지만, 그 변형에 의해 부여 된 안정성 ( "의지")은 각 염소 전자에 대해 동일합니다. 따라서, 수의 염소 전자는 주어진 사람이 보이는 에너지 변화에 영향을 미치지 않습니다.

전기 화학 세포

전기 화학 세포에는 두 가지 유형이 있습니다 : 갈바닉 및 전해 .

갈바닉 세포 오랜 역사를 가지고 있습니다. 그 이름은 이탈리아 물리학 자 Luigi Galvani (1737 - 1798)에서 유래 한 것으로, 전류가 적용될 때 개구리 다리 근육이 삐걱 거리는 것을 관찰했습니다. 갈바닉 세포는 자발적인 산화 환원 반응에서 방출 된 에너지를 사용하여 전류를 생성합니다. 갈바닉 세포의 또 다른 일반적인 이름은 볼타 세포 입니다 다른 이탈리아 물리학자인 Alessandro Volta (1745 - 1827)의 이름을 따서 명명되었습니다.

한편, 전해 세포는 전류를 사용하여 정상적으로 비 침강 반응을 유도한다. 전해 세포의 전형적인 예는 다음 반응을 통해 수소와 산소 가스로 물의 분해를 유도하기 위해 물에 전류를 물에 적용하는 것입니다.

갈바닉과 전해 세포의 주요 유사점은 둘 다 2 개의 전극, 양극 및 음극을 사용하고 전해질 용액을 함유한다는 것입니다. 이 전해질 용액은 세포의 전체 전하를 유지하면서 용액 안팎에서 이온을 전달할 수 있습니다.

갈바닉과 전해 세포의 주요 차이점은 작업 방향입니다. 갈바닉 세포는 자발적인 화학 반응을 사용 가능한 작업으로 바꾸는 반면, 전해 세포는 비전문 반응을 주도하기 위해 작업을 사용합니다.

산화는 음극에서 감소하는 동안 양극에서 발생합니다. 이것을 기억하기가 쉬운 니모닉은“붉은 고양이와 황소”입니다. 여기서“붉은 고양이”는 감소 - 음극,“황소”는 양극 - 산화를 의미합니다.

갈바닉 세포

갈바닉 세포는 전류 (전자의 흐름)를 생성하는 제어되고 특정한 방식으로 산화 환원 반응을 용이하게하는 설정입니다. 볼타 세포, 전기 화학적 세포 및 배터리는 모두 갈바니 셀의 다른 이름입니다. 아래는 모든 중요한 특징을 보여주는 전형적인 갈바니 셀입니다.

모든 갈바니 셀에는 다음을 포함해야합니다.

전자가 손실 될 산화 반 세포
전자가 허용되는 절반 셀 감소
셀의 전위를 측정하기 위해 전압계를 함유하는 두 셀을 연결하는 와이어
소금 다리 또는 충전 균형을 유지하는 다른 방법

이러한 각 기능을 구체적으로 살펴보고 필요한 이유를 살펴 보겠습니다.

산화 반 세포

산화 반 셀은 전자가 시작된 장소입니다. 전극과 용액의 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 산화 세포의 전극을 양극 이라고합니다. . 이 예에서 양극은 아연입니다. 반응이 발생함에 따라, 전자는 아연 금속을 양극에 남겨두고 아연 이온으로 변환한다. 그런 다음이 이온은 용액,이 경우 황산 아연으로 들어갑니다. 양극 금속 이온에 수용되는 한 카운터 이온은 중요하지 않습니다. 그러나 용액의 양이온은 양극의 금속과 일치해야합니다. 반응하는 동안, 전자는 양극을 남기고 와이어 위로 이동 하반 세포로 이동하여 용액에서 금속 이온의 농도를 증가시키고 양극을 섭취합니다.

와이어

이것은 설정에서 가장 간단한 부분입니다. 와이어는 전자가 두 반 셀 사이를 이동할 수있게합니다. 종종 전위를 측정하는 전압계라고하는 장치에 연결됩니다. 전압기는 반응의 진행 상황을 모니터링하는 데 유용하지만 필요하지 않습니다. 도체는 와이어 일 필요는 없지만 전선은 이러한 유형의 설정에 대해 셀을 연결하는 가장 일반적인 방법입니다.

감소 반 세포

절반 셀은 양극에서 해방 된 전자의 대상입니다. 환원 반 셀의 금속 전극을 음극 이라고합니다. . 전자가 캐소드 아래로 이동함에 따라 이온 용액에 접촉합니다. 용액의 양이온을 금속으로 감소시키고 캐소드 표면에 침착시킨다. 간단한 갈바니 셀에서 양이온은 음극과 일치합니다. 이 예에서, 구리는 캐소드에 사용되므로 용액의 양이온은 구리입니다. 다시 말하지만, 반대는 중요하지 않습니다. 반응이 진행됨에 따라 양이온의 농도가 내리고 음극의 질량이 증가합니다.

소금 다리

반응이 진행됨에 따라 전자는 양극을 떠나 캐소드로 이동합니다. 산화 반 세포에서 금속 이온으로부터의 양전하가 증가하고, 캐소드 반 세포에서 감소한다. 전하 축적은 대부분의 시간 동안 반응을 불리하게 만들기 때문에 이것은 문제입니다. 소금 다리는이 문제를 제거합니다. 일반적으로 Kcl, Nano ₃와 같은 간단한 관중 이온 염 , et cetera는 좋은 소금 다리를 만듭니다. 소금 다리는 이들 화합물로 포화되어 있으며 2 개의 반 셀에서 전하의 균형을 맞 춥니 다. 도시 된 예에서, 염은 황산 칼륨을 함유 할 수있다. 반응이 진행됨에 따라, 칼륨 이온은 분실 된 구리 이온을 대체하기 위해 환원 반 세포로 들어갑니다. 마찬가지로, 황산염 이온은 산화 반 세포로 들어가서 용액으로 유입되는 아연 이온의 균형을 잡는다. 소금 다리가 충전을 중재하지 않으면 Galvanic 세포가 작동하지 않습니다 .

연습 문제

화학자는 아래의 반응을 중재하기 위해 갈바니 세포를 설정합니다.

CR + 3AG → CR + 3AG

그들은 나트륨 이온을 사용하여 양전하와 질산염을 모든 반대편으로 매개합니다. 셀의 각 부분에 적절한 경우 이름과 화학 종에 라벨을 붙이고 표준 조건에서 반응과 관련된 전압을 나열합니다.

답변 :

A :전압계

B :나노 ₃ 소금 다리

C :CR 양극

d :cr (no ₃ ) 3 해결책

E :AG 캐소드

F :agno ₃ 해결책

전압 :1.54V

갈바닉 세포의 잠재력 결정

아래 그림

의 고전적인 Cu-Zn 갈바닉 세포 (Voltaic Cell)를 고려하십시오.

이미지에서 볼 수 있듯이 두 개의 전극이 있습니다. 그중 하나는 아연이고 다른 하나는 구리입니다. 우리는 아연이 양극이고 구리가 캐소드라는 이전의 예에서 보았습니다. 그러나 우리는 어떻게 알 수 있습니까? 어떤 전극이 양극이고 어떤 전극이 음극인지 결정하려면 두 개의 반 반응을 고려해야합니다. 반 반응은 종이 산화되거나 감소되는 경우에 발생하는 순 반응이며 전자의 흐름을 보여줍니다. Cu-Zn 셀에서 두 개의 반 반응을 취하십시오 :