핵심 개념
이 튜토리얼에서는 산화, 환원, 갈바니 세포 및 전기 화학의 응용을 포함한 전기 화학의 기초를 학습 할 수 있습니다. 또한 기본 전기 화학 방정식과 사용 방법을 살펴볼 것입니다.
전기 화학은 화학 반응이 전기와 관련된 방식을 연구하는 분야입니다. 여기에는 배터리와 같은 전기를 생산하는 화학 반응, 전기가 필요한 화학 반응 등이 포함됩니다.
다른 기사에서 다루는 주제
- 전기 화학 세포
- 산화 환원 반응 이해
- 산화 환원 반응의 균형을 잡는 방법
- 평형 상수는 무엇입니까?
- 순 이온 방정식을 쓰는 방법
어휘
산화 :전자를 잃는 원자의 과정
감소 :전자를 얻는 원자의 과정
산화 환원 반응 :산화 및 환원이 발생하는 화학 반응, 전자는 화학 종 사이에 전자가 전달된다는 것을 의미합니다.
쿨롱 :전하를위한 SI 장치 (약어 c)
전압 (일명 잠재력 ) :전하 (Joule/Coulomb의 단위)에 의해 전달 된 에너지
산화 환원 반응
대부분의 화학 반응은 전자의 관점에서 매우 간단합니다. 본드는 형성되거나 파손될 수 있지만 일반적으로 모든 원자는 전자를 그대로 유지합니다. 이것은 산화 환원 반응의 경우가 아닙니다. "산화 환원"은 "환원"과 "산화"의 조합에서 비롯됩니다. 산화 환원 반응은 전자가 원자 또는 분자에 의해 손실되고 다른 것들로 전달되는 곳입니다. 전자의 이러한 전달은 전기 화학의 핵심이다. Redox 반응 및 균형을 맞추는 방법에 대한 자세한 내용은 링크 된 자습서를 참조하십시오.
산화 환원 반응의예
2NA (S) + 2H 2 o (l) → 2NAOH (aq) + H 2 (g)
Fe (aq) + ag (aq) → Fe (aq) + ag (s)
2al (s) + 6H (aq) → 2al (aq) + 3H 2 (g)
반 반응
산화 환원 반응이 감소 및 산화 반 반응으로 분할되면, 전자는 각각 생성물 및 반응물로 기록된다. 그것들은“추가”가 함께“추가”될 때 전체 산화 환원 반응을 일으키기 때문에 반 반응이라고합니다. 절반 반응은 종종 독립적으로 고려 될 수 있습니다.
갈바닉 세포
갈바니 셀은 가 전류를 생성하는 통제되고 특정한 방식으로 산화 환원 반응을 용이하게하는 설정입니다. (전자의 흐름). 볼타 세포, 전기 화학적 세포 및 배터리는 모두 갈바니 셀의 다른 이름입니다. Galvanic 세포에 대한 심층적 인 튜토리얼을 참조하십시오.
볼타 셀 다이어그램
아래는 전형적인 볼타 셀을 보여주는 다이어그램입니다.
다이어그램을 분해하고 셀의 각 부분을 넘어 봅시다.
먼저, 세포의 "구리면"은 감소 반 셀이라고합니다. . 전체 볼타 셀의 절반으로 구성되며 전자 흐름이 흐르는 곳입니다 (의미 감소가 발생 함). 들어오는 전자는 구리 금속을 형성하는 용액에서 구리 이온을 감소시켜 구리 전극의 표면에 침착합니다.
다음으로, 세포의 "아연 측"은 산화 반 세포라고합니다. . 아연이 전자 (산화)를 포기하고 있기 때문에 이것이라고합니다. 전자가 전극에서 아연 금속을 출발함에 따라, 와이어 위로 분류 하반 세포로 흐르고 좌회전 아연 이온이 용액으로 들어갑니다.
.두 개의 반 셀을 연결하는 와이어는 전자가 흐를 수있게합니다. 와이어가 없으면이 설정은 전기 화학적 반응이 진행되는 것을 허용 할 수있는 것이 없기 때문에 아무것도하지 않습니다. 와이어는 일반적으로 전압계, 을 포함합니다 셀의 전압을 측정하는 장치
마지막으로, 소금 다리, 갈바닉 세포의 이름없는 영웅. 여기에는 반응이 진행됨에 따라 형성되는 전하 축적의 균형을 맞추는 관중 이온 염이 포함되어 있습니다. 하나의 세포에서 형성되고 양의 차전 된 구리 이온은 전자가 흐르면서 다른 하나를 남긴다. 불균형 전하는 매우 입니다 화학에 바람직하지 않기 때문에 반응은 전하의 균형을 맞추기 위해 무언가없이 진행할 수 없습니다. 소금 다리는이 작업을 수행하여 산화 반 세포에 반 세포 및 음성 이온에 양의 이온을 공급합니다. 소금 다리가 없으면 갈바닉 세포가 작동하지 않습니다.
자발성 및 평형
열역학에서 일부 프로세스가 자발적이거나 에너지의 입력없이 발생한다는 것을 기억할 수 있습니다. 시스템의 깁스 자유 에너지의 변화 인 ∆G ( "Delta-G")는 자발성을 나타냅니다. ∆G가 음수 일 때, 시스템의 에너지가 내려 갔다 (선호). ∆G가 양수이면 시스템의 에너지가 올라갔습니다 (비정상)
전기 화학자는 ∆G를 적게 사용합니다. 산화 환원 시스템의 전압은 동일한 것을 좋아하기 때문입니다. 반응의 전압이 양수 일 때, 반응은 전방 방향을 선호하고 자발적으로 발생합니다. 전압이 음수 일 때, 반응은 전방 방향을 제거하고 자발적으로 발생하지 않습니다. 전압과 ∆G간에 부호가 다르기 때문에 이것은 약간 혼란 스러울 수 있습니다. 그러나 축소 테이블을 보면 기억하기 쉽습니다. 아연 및 철과 같은 모든 알칼리 금속 및 기타 쉽게 산화 된 금속은 전자를 잃는 것보다 전자를 잃는 것이 더 선호됩니다. 불소와 같은 비금속 및 산화하기 어려운 구리 및은과 같은 다양한 금속의 경우 반대로 사실입니다.이 요소는 전자를 얻는 것을 선호합니다.
전기 화학 방정식
열역학적 변환
e 셀 , 전압은 수학적으로 자유 에너지 변화 ∆G 및 평형 상수 k eq 와 관련 될 수 있습니다. . 아래의 방정식은이 세 가지 수량과 상호 관련되어 있습니다 :
R :가스 상수 (열역학적 형태), 8.314 j/mol*k.
T :켈빈의 온도
N :반응에서 전달 된 전자의 수.
F :Faraday의 일정, 96485 c/mol의 전자.
세포의 잠재력
e 셀 =e 빨간색 + e ox =e 음극 - e anode
위의 음극/양극 방정식의 경우 감소 을 사용하십시오 둘 다에 대한 잠재력. 이것은 양극의 전위가 음수 일 수 있음을 의미합니다. 적색/OX 방정식의 경우 음극의 감소 전위와 양극의 반대 값 (산화 전위)을 사용하십시오.
.NERNST 방정식
전기 화학에서 자주 사용되는 방정식이 하나 더 있으며, 이는 Nernst 방정식입니다. 이 시점까지, 우리는 용액의 이온 농도가 변하지 않는다고 가정했습니다. 다시 말해, 우리는 표준 조건에서 셀의 초기 잠재력 만 다루고 있습니다. 그러나 실제 배터리의 감소 된 이온 및/또는 양극은 결국 소진됩니다. 이것은 배터리가 죽을 때 발생합니다. 캐소드 용액에 남아있는 양이온이 충분하지 않거나 반응이 진행하기위한 양극 용액에 너무 많은 양이온이 없습니다. Nernst 방정식은 이와 같은 비평 형 조건을 다룹니다. Nernst 방정식 사용에 대한 심층적 인 설명은이 기사를 참조하십시오.
전기 분해
전기 분해는 전류를 사용하여 반응을“강제”하는 과정입니다. 이 기술은 종종 화합물을 분해하는 데 사용됩니다. 예는 반응 2h 2 입니다 o → 2H 2 + o 2 수소와 산소 가스, 물에서 두 가지 매우 유용한 분자를 생성합니다. 이 분해는 자연스럽게 발생하지 않지만 상대적으로 작은 전압이 적용됩니다. 전기 분해는 광석, 해수 및 기타 공통 물질로부터 다양한 분자를 얻기 위해 광범위한 산업적 사용을 본다. 전기 분해 및 전해 세포 설정에 대한 자세한 내용은 튜토리얼을 참조하십시오.
전기 도금
정상적인 갈바닉 세포에서, 환원 반 셀의 양이온은 캐소드와 일치한다. 양이온이 표면에 금속으로 퇴적하기 때문입니다. 양이온은 음극과 일치하여 물건을 깨끗하게 유지합니다. 그러나 양이온이 일치하지 않으면 반응이 잘 진행될 수 있습니다. 금속 양이온은 그의 중성 금속 형태로 전환되어 음극의 표면에 침착 할 것이다. 이것을 전기 도금이라고합니다. 이 과정은 다른보다 탄력적 인 금속의 층 아래에서 금속을 보호합니다. 예를 들어, 구리 층은 철과 같은 쉽게 산화 된 금속이 녹슬지 못하게합니다. 전기 도금은 매우 일반적이며 다른 금속으로 금속을 덮는 데 매우 유용한 기술이며, 많은 응용 분야에서 매우 도움이됩니다.
추가 읽기
- 전기 화학 세포
- KSP - 용해도 제품 상수
- 주기적 트렌드
- 대화식 주기성 테이블
