[일반화학실험 A+ 1등 레포트] 실험 25. 화학전지 - 오렌지쥬스 전지 실험 결과보고서

소개글

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목차

실험 데이터 및 처리
실험 결과에 대한 고찰
다음의 질문에 답하시오.
참고문헌

본문내용

이산화망간의 망간이 환원되는 반응이 일어난다. 산화전극과 환원전극에서 발생하는 반응을 화학식으로 표현하면 다음과 같다. 산화 전극:, 환원 전극 : 이다. 금속에서 일어나는 중요한 산화-환원반응에 부식(corrosion)이 있다. 철은 산소 혹은 물과 만나서 산화되며 부식된다. 철의 부식에 대한 산화 환원 반응을 화학 반응식으로 표현하면 다음과 같다. 산화 반응:, 환원 반응:이다. 따라서 철의 부식의 전체 반응은 이다. 산화 과정을 통해 생성된 철 이온은 산소, 물과 만나 한 번 더 산화되며 화학 반응식은 이다. 그러므로 철이 산화되어 생성하는 붉은 녹의 화학식은 이다.
실험을 진행하는 과정에서 금속판에 베이지 않도록 주의해야 한다. 질산 용액은 매우 위험하므로 조심해서 다루어야 하며 옷이나 몸에 묻었을 경우에는 바로 다량의 물로 씻어내어야 한다. 수소 기체는 폭발의 위험이 있기 때문에 주변에 화기나 불이 없도록 해야 한다. 실험에 사용되는 오렌지 쥬스는 절대로 마시면 안 된다.
실험이 끝난 후, 사용한 오렌지 쥬스와 질산 용액은 싱크대에서 다량의 물과 함께 흘려버린다. Well plate와 금속판은 증류수로 깨끗이 세척하여 하고 연결단자는 집게 부분을 증류수로 깨끗이 세척하고 물기를 닦아낸 후 반납해야 한다.
이번 실험에서는 금속의 이온화 경향, 산화와 환원, 전해질, 전기 화학 전지, 염다리 등의 이론이 주로 활용되었다. 금속의 이온화 경향은 금속이 산화되는 경향이다. 칼륨, 칼슘, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 니켈, 주석, 납, 수소, 구리, 수은, 백금 순서이다. 산화는 이온 또는 원자, 분자가 산소를 얻거나 전자 또는 수소를 \'잃는\' 것, 산화수를 증가시키는 경우를 말한다. 환원은 이온 또는 원자, 분자가 산소를 잃는 경우나 전자 또는 수소를 \'얻는\' 경우, 산화수를 감소시키는 경우를 말한다. 전해물이라고도 불리며, 물 등의 용매에 녹아 수용액 상태에서 이온화하여 음이온과 양이온이 생기는 물질이다. 전기 화학 전지란 산화-환원 반응으로 화학에너지를 전기에너지로 전환시켜주는 장치이다. 염다리는 염다리의 양이온이 환원 전극 쪽으로 이동하고 음이온은 환원 전극에서 염다리 쪽으로 이동시켜서 전하의 축적을 정확하게 상쇄하여 빠르게 평형을 형성하는 내부 회로의 전기적 중성을 유지하도록 하는 것이다.
실험에 주로 사용된 기구는 금속판, 피펫, well plate, 멀티미터, 탄소전극, LED, 사포 등이 있으며, 주로 사용된 시약은 오렌지 쥬스, 소금, 질산 용액이 있다. 주요 실험 기구의 사용법과 사용 시 유의사항 그리고 용액의 물리/화학적 특성과 사용 시 주의해야하는 사항에 대해 사전에 조사하고 익혀두어야 한다.
본 실험자는 이번 실험을 통해 우리가 생활에서 자주 접하는 오렌지주스를 활용하여 전지를 제작하는 과정에 대해 알아 볼 수 있었다. 본 과정을 통해 소금과 오렌지 주스의 농도가 진해질수록 각각 전해질과 시트르산의 양이 증가하여 전압과 전류가 높게 측정되며 전지가 작동하는 과정을 학습할 수 있었다. 또한, Zn-Cu 전지에서 구리를 탄소로 대체해도 되는 점에 대해 명확하게 익힐 수 있었다.
본 실험에서는 멀티미터를 활용하여 정확한 측정값을 확인할 수 있었기 때문에 측정 과정에서 어려움은 없었다. 따라서 오차가 발생하지 않았다. 소량의 오차는 사포와 질산용액을 활용하여 산화막을 전부 제거하지 못했기 때문이다. 이론값과 동일한 결론이 도출되었으며 오차가 발생하지 않았다. 다음 실험 과정에서도 본 실험과 같이 수칙과 주의사항에 근거하여 정밀한 실험기구를 통해 실험을 진행하고 반복 실험을 진행하여 평균값을 활용하면 오차가 적을 것으로 사료된다.
다음의 질문에 답하시오.
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1. Daniel 전지는 염다리(salt bridge)를 포함하고 있다. 이 염다리의 역할은 무엇인가?
이온들은 염다리를 통해 이동하면서 전하의 불균형을 해소한다. 즉, 염다리는 염다리의 양이온이 환원 전극 쪽으로 이동하고 음이온은 환원 전극에서 염다리 쪽으로 이동시켜서 전하의 축적을 정확하게 상쇄하여 빠르게 평형을 형성하는 내부 회로의 전기적 중성을 유지하도록 한다. 볼타 전지의 분극현상을 해결하기 위해 수소 이온이 포함되지 않은 KCl, , 등을 주로 활용하여 염다리를 구성한다.
2. 우리 생활에서 많이 사용되는 건전지는 또 하나의 볼타 전지이다. 건전지의 구조에 대하여 알아보자. 건전지의 산화전극은 어떻게 구성되며 산화전극에서의 반응은 무엇인가? 건전지의 환원전극은 어떻게 구성되며 환원전극에서의 반응은 무엇인가?
건전지는 산화전극 아연통, 환원전극인 탄소막대, 소극제와 전해질로 구성되어 있다. 소극제로는 주로 이산화망간, 흑연, 염화알루미늄 등이 활용된다. 전해질로는 염화알루미늄 혹은 염화아연을 활용한다.
건전지의 (-)극이며 산화전극은 아연통으로 구성되어 있다. 산화전극에서는 아연이 산화되는 반응이 일어난다.
건전지의 (+)극이며 환원전극은 탄소막대로 구성되어 있다. 전해질은 주로 염화암모늄 포화용액을 사용하는 점을 고려한다. 따라서 환원전극에서는 이산화망간의 망간이 환원되는 반응이 일어난다.
산화전극과 환원전극에서 발생하는 반응을 화학식으로 표현하면 다음과 같다.
산화 전극 :
환원 전극 :
건전지의 구조
3. 금속에서 일어나는 중요한 산화-환원반응에 부식(corrosion)이 있다. 철의 부식은 어떠한 과정을 통하여 일어나는지 알아보자.
철은 산소 혹은 물과 만나서 산화되며 부식된다. 철의 부식에 대한 산화 환원 반응을 화학 반응식으로 표현하면 다음과 같다.
산화 반응 :
환원 반응 :
따라서 철의 부식의 전체 반응은 이다.
산화 과정을 통해 생성된 철 이온은 산소, 물과 만나 한 번 더 산화되며 화학 반응식은 다음과 같다.
그러므로 철이 산화되어 생성하는 붉은 녹의 화학식은 이다.
이를 그림으로 표현하면 다음과 같다.
철의 부식
참고문헌
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일반화학, Steven S. Zumdahl, Cengage, 2018, 173쪽

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