전기화학 전지 (electrochemical cell) ★

전기화학 전지. electrochemical cell

 

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▶ 참고: 제20장 전기화학. 목차

[ https://ywpop.tistory.com/11389 ]

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▶ 전지의 기본 구성

① 전해질 용액 (& 용기)

② 전극: 금속 또는 탄소봉(흑연)

> 池: 못 지

> 전지 = 전해질 연못

 

▶ 산화-환원 반응을 이용하여, 화학 에너지를 전기 에너지로, 또는

전기 에너지를 화학 에너지로 변환시키는 장치를 ‘전기화학 전지’라 한다.

 

▶ 크게 (1) 볼타 전지와 (2) 전해 전지로 분류한다.

( 또는 갈바니 전지와 전해 전지로 분류하기도 한다. )

( galvanic cell vs. electrolytic cell )

 

 

 

[1] 볼타(Volta) 전지

 

▶ 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치. 일반적으로 ‘전지’라 부른다.

 

▶ “자발적인 산화-환원 반응”에 의해 전기가 발생하는 전지를 통칭

( 볼타 전지, 다니엘 전지, 건전지, 수은 전지, 축전지 등

자발적인 산화-환원 반응에 의해 전기가 발생하는 전지는

모두 볼타 전지에 속한다. )

 

▶ 볼타 전지의 발명은 ‘전기화학’이라는 새로운 학문 분야를 탄생시켰다.

※ 갈바니(Galvani): 동물전기 발견

 

 

 

[2] 전해 전지. electrolytic cell

 

▶ 전기 에너지를 화학 에너지로 변환시키는 장치. ‘전기분해장치’라고도 한다.

 

▶ 외부 전기에 의해 “비자발적인 산화-환원 반응”이 일어나는 전지를 통칭

( 외부에서 전기를 공급하여 비자발적인 산화-환원 반응이 일어나도록 만든 전지 )

 

 

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(1) 볼타 전지의 반응과 특징

 

▶ 묽은(20%) 황산 수용액이 들어있는 1개의 용기에

아연 전극과 구리 전극을 함께 넣고, 두 전극을 전선으로 연결.

 

 

[ 그림 출처 Wikipedia ]

 

 

 

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▶ 볼타 전지의 기전력: 0.76 V

 

 

 

▶ 분극 현상 때문에 금방 전압이 떨어진다.

⇨ 비실용적

 

▶ 분극 현상: 구리 전극 주변에 생성된 수소 기체의 이탈 속도가

전자의 이동 속도보다 느려서

수소 기체가 구리 전극 주변을 둘러싸 전자의 이동을 방해.

 

2H^+(aq) + 2e^- → H2(g)↑

생성된 수소 기체가 H^+(aq)와 e^-의 반응을 방해

 

 

 

[그림] 분극 현상.

 

 

▶ 이산화망간(MnO2) 등과 같은 산화제를 구리 전극 주변에 넣어 주면,

수소 기체가 물로 변하여 ‘분극 현상’이 없어지므로 전류가 잘 흐르게 된다.

이때 쓰인 산화제를 ‘감극제(소극제)’라고 한다.

 

 

 

 

(2) 다니엘(Daniel) 전지의 반응과 특징

 

▶ 볼타 전지의 문제점(분극 현상)을 해결한 전지

 

▶ 전지 2개와 염다리(salt bridge)를 사용, 분극 현상 해결.

 

▶ 묽은 황산아연 수용액이 들어있는 용기에 아연 전극을 넣고,

묽은 황산구리 수용액이 들어있는 용기에 구리 전극을 넣고,

두 전극을 전선으로 연결.

 

 

[ 그림 출처 Wikimedia ] 전자(e^-)는 전선을 통해 아연(Zn) 전극에서 구리(Cu) 전극으로 이동한다.

 

 

> 산화: Zn(s) → Zn^2+(aq) + 2e^- ... E°_red = –0.76 V

> 환원: Cu^2+(aq) + 2e^- → Cu(s) ... E°_red = +0.34 V

> 전체: Zn(s) + Cu^2+(aq) → Zn^2+(aq) + Cu(s)

 

 

▶ cell diagram

Zn | Zn^2+ || Cu^2+ | Cu 또는

Zn(s) | Zn^2+(aq) || Cu^2+(aq) | Cu(s)

( 참고 https://ywpop.tistory.com/3072 )

 

 

▶ 다니엘 전지의 기전력: 1.10 V

( 참고 https://ywpop.tistory.com/4558 )

 

 

 

 

※ 외형적으로, 볼타 전지는 전지가 1개이고, 다니엘 전지는 전지가 2개이다.

 

 

 

 

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