소개글
"소듐이온전지"에 대한 내용입니다.
목차
1. 전기 화학과 전지
1.1. 전기 분해와 도금
1.1.1. 요약
1.1.2. 실험 결과
1.1.3. 결과 처리
1.1.4. 결과 분석 및 고찰
1.1.5. 토의
1.2. 화학 전지와 열역학
1.2.1. 전기화학 전지의 종류
1.2.2. 산화-환원 반응
1.2.3. 화학전지의 원리
1.2.4. 갈바니 전지(볼타 전지)
1.2.5. 다니엘 전지
1.2.6. 염다리
1.2.7. 표준 전극 전위
1.3. 전기화학전지의 실험
1.3.1. 실험 개요
1.3.2. 이론적 배경
1.3.3. 실험 방법
1.3.4. 실험 결과
1.3.5. 결론 및 고찰
2. 참고 문헌
본문내용
1. 전기 화학과 전지
1.1. 전기 분해와 도금
1.1.1. 요약
이번 실험은 전기에너지를 이용하여 일어나는 화학 반응 중 전기 분해와 도금에 대해 실험하고자 한 것이다. 도금은 전기 분해의 원리를 이용해 한 금속을 다른 금속 위에 입히는 과정으로 양극에서는 산화반응이, 음극에서는 환원 반응이 일어난다. 이번 실험에서는 구리판과 구리로 된 동전을 사용했고, 이 두 개의 구리에 전원을 연결했을 때 양극에 연결된 구리판은 산화반응 즉, 전기 분해가 일어나고 음극에 연결된 동전은 환원반응 즉, 도금이 일어났다. 반응에 수반된 총 전하량을 구하기 위해서는 패러데이의 전기 분해 법칙을 적용하였다. 이는 전기 분해를 하는 동안 전극에 흐르는 전하량과 전기 분해로 인해 생긴 화학변화의 양 사이의 정량적 관계를 나타내는 것으로 제1 법칙과 제2 법칙에 따르면 전하량은 전류의 세기와 시간의 곱으로 나타낼 수 있다. 이번 실험에서 99%의 수득률을 얻었다.
1.1.2. 실험 결과
도금된 동전의 무게 변화량은 0.072g이었다. 이는 실험적으로 얻어진 석출 구리의 양이다. 또한 전류의 평균 측정값은 약 184.8mA로 나타났다. 이를 통해 패러데이의 법칙을 적용하여 이론적인 석출 구리의 질량을 계산할 수 있었다.
먼저 총 전하량은 전류의 세기와 시간의 곱으로 나타낼 수 있다. 이렇게 구한 총 전하량을 패러데이 상수로 나누면 전자의 몰 수를 얻을 수 있다. 그리고 전자 2몰이 관여할 때 구리 1몰이 반응하므로 전자의 몰 수를 2로 나누면 구리의 몰 수를 구할 수 있다. 이에 구리의 분자량을 곱하면 이론적인 구리 석출 질량을 얻을 수 있었다.
이렇게 계산된 이론적 석출 구리의 질량은 0.073g이었다. 실험값인 0.072g과 비교했을 때 99%의 수득률을 보였고, 오차율은 1.4%로 나타났다. 이를 통해 실험이 큰 오차 없이 정확하게 이루어졌음을 알 수 있다.
1.1.3. 결과 처리
이론적 석출량은 패러데이의 전기 분해 법칙을 적용하여 계산할 수 있다. 패러데이의 제1법칙에 따르면 전기 분해 동안 전극에 흐르는 전하량은 전류의 세기와 시간의 곱으로 나타낼 수 있다. 즉, 총 전하량 = 평균 전류 × 시간이다.
그 다음 패러데이의 제2법칙에 의해 전하량을 패러데이 상수(96,485 C/mol)로 나누면 전자의 몰 수를 구할 수 있다. 구리의 경우 2개의 전자가 관여하므로 구리의 몰 수는 전자의 몰 수를 2로 나누어 얻을 수 있다. 마지막으로 구리의 몰 수에 구리의 분자량(63.55 g/mol)을 곱하면 이론적으로 얻어지는 구리의 질량을 계산할 수 있다.
이를 바탕으로 실험적으로 얻은 구리 석출량과 이론적 석출량을 비교하여 수득률을 계산할 수 있다. 수득률은 (실험값 / 이론값) × 100%로 나타낼 수 있다. 또한 오차율은 |(이론값 - 실험값)| / 이론값 × 100%로 계산할 수 있다.
1.1.4. 결과 분석 및 고찰
위 실험에서는 전해 전지로부터 구리를 석출하여 실험적으로 구리 석출 질량을 얻었다. 그리고 패러데이 전기 분해 법칙에 의해 평균 전류량과 시간을 곱해 전하량을 구하고 이를 패러데이 상수로 나눠 전자의 몰 수를 구했다. 전자 2몰이 관여할 때 구리 1몰이 반응하므로 전자의 몰 수를 2로 나눠 구리의 몰 수를 구하고 이에 구리의 분자량을 곱해 이론적인 구리 석출 질량을 계산할 수 있었다.
실험값을 이론값으로 나눠 수득률을 구했을 때 99%가 나왔고 오차율은 1.4%였다. 이를 통해 실험이 큰 오차 없이 거의 정확하고 이론과 비슷하게 이루어졌던 것을 확인할 수 있었다.
전류의 측정값을 살펴보면, 초반에는 전류가 감소하다가 어느 순간 갑자기 증가하였다. 이는 전기를 이용한 도금 실험에서 구리판과 동전 간의 거리에 전류가 영향을 받기 때문인 것으로 보인다. 시간이 지나며 구리가 점점 석출될수록 동전의 표면적이 상대적으로 넓어지므로 구리판에 더 가까워지기 때문에 전류가 증가한 것이라고 추정된다.
수득률이란 화학적 과정에 있어서 원료 물질의 어떤 양에서 목적으로 하는 물질이 이론적으로 생성해야 하는 양에 대해 실제로 생성한 양의 비율이다. 일반적으로 수득률이 100%가 되기는 굉장히 어려운데, 이는 부반응이 있어서 목적으로 하는 물질 이외의 것으로 전화하거나, 반응 시간이 부족해서 (촉매 존재 시에는 접촉 시간) 반응을 다 못한 물질이 평형 값 이상으로 남거나 장치에 누설이 있는 등의 이유 때문이다. 이번 실험에서는 99%의 높은 수득률을 보여 매우 정확한 실험이 이루어졌다고 볼 수 있다.
1.1.5. 토의
화학 전지와 전기 분해에 ...
참고 자료
고려대학교 교양화학실 <6. 전기분해와 도금 실험> pdf
Zumdahl Chemistry, 9/ed., Science plus., 2014, p.889~893
‘수득률’, <화학대사전>, 세화, 2001
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1139503&cid=40942&categoryId=32374
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옥스토비 일반화학 제7판 [17장]
https://en.wikipedia.org/wiki/Electromotive_force: 기전력의 정의
https://en.wikipedia.org/wiki/Voltaic_pile: 볼타전지의 원리
https://en.wikipedia.org/wiki/Polarization_(electrochemistry) : 분극현상의 개념
https://en.wikipedia.org/wiki/Salt_bridge: 염다리의 원리
https://en.wikipedia.org/wiki/Zinc_sulfate : zinc sulfate
https://en.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate : copper sulfate
https://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_chloride : “potassium chloride
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John E. McMurry 외 1명, 일반화학, 자유아카데미(2014), p704~705, 산화(환원)전극의 개념, 다니엘 전지의 기본 구성, 염다리의 역할
John E. McMurry 외 1명, 일반화학, 자유아카데미(2014), p713, 표준 수소전위의 개념
John E. McMurry 외 1명, 일반화학, 자유아카데미(2014), p715, 표준 환원 전위의 개념
화학교재연구회, 재미있는 일반화학실험, 사이플러스(2010) p212, 이온화경향의 개념, 음극과 양극의 차이점 표
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