본문내용
1. 서론
Cyclic voltammetry(CV)는 기초 전기화학 분석은 물론 최근 리튬 이온을 이용한 이차전지, 스마트 폰, 넷북 등의 휴대용 모바일 전원 뿐 아니라 하이브리드 자동차, 태양 전지, 연료전지 등 신재생 에너지 산업의 에너지 산업의 발전과 더불어 이 분야에 기여하는 고분자 소재의 전기화학적 특성 분석에 크게 활용되리라 기대된다. 또한 CV 실험은 전기화학의 기본 개념을 이해하고 이를 실험적으로 확인할 수 있게 해주는 매우 유용한 분석 방법이다. 이번 실험에서는 Fe(CN)6³⁻/Fe(CN)6⁴⁻ 산화, 환원 반응을 통해 전기화학의 기본 개념을 이해하고자 한다.
2. 이론적 배경
2.1. 산화환원반응(oxidation-reduction reaction)
산화환원반응(oxidation-reduction reaction)이란 반응물 간의 전자 이동으로 일어나는 반응으로, 산화와 환원이 동시에 일어나는 것을 말한다. 전자를 잃은 쪽을 산화되었다고 하고 전자를 얻은 쪽을 환원되었다고 한다. 이때, 잃은 전자수와 얻은 전자수는 항상 같다. 산화·환원반응이 일어날 때 산화수의 변화가 일어난다.
산화수란 일반적으로 이온으로 되었을 때 전하량이다. 이온의 종류가 두 개 이상인 철과 같은 원자의 경우에는 공유결합을 이루는 전자가 전기음성도가 더 큰 원자에 속해있다고 했을 때의 전하량을 생각하면 된다. 홑원소물질과 중성화합물의 산화수는 0, 이온의 산화수는 이온의 전하량, 산소원자의 경우에는 보통 -2, 과산화물에서는 -1이고 수소원자의 경우 보통 +1, 금속화합물에서는 -1이다.
산화수를 계산할 때에는 이온화가 잘 되는 1족, 2족, 17족과 같은 원소들의 산화수를 먼저 생각해주는 것이 쉽다. 산화된 물질은 전자를 잃게 되므로 산화수가 증가하고, 환원되는 물질은 전자를 얻으므로 산화수가 감소한다.
예를 들어 SO4^2-는 O의 산화수가 -2이고 총 4개 있으므로 -8인데 화합물 전체의 산화수가 -2이므로 S의 산화수는 +6이 된다. NH3는 H의 산화수가 +1이고 총 3개 있으므로 +3이고 화합물 전체의 산화수가 0이므로 N의 산화수는 -3이다. 반면 HNO3의 경우 H의 산화수 +1, O의 산화수는 -2이고 3개 있으므로 -6인데 화합물 전체의 산화수가 0이므로 이 때 N의 산화수는 +5가 된다.
산화환원반응에서 각 원소의 산화수를 계산하여 어떤 물질이 산화 또는 환원되었는지 쉽게 알 수 있다. 산화환원반응의 가장 대표적인 경우가 화학전지이다. 아연과 구리로 만들어진 화학전지의 경우, 아연이 전자를 잃고 산화되고 구리는 전자를 얻고 환원된다.
자신은 환원되면서 다른 물질을 산화시키는 물질을 산화제, 반대로 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 물질을 환원제라고 한다. 따라서 전자를 얻는 성질이 강할수록 강한 산화제, 전자를 잃는 성질이 강할수록 강한 환원제이다.
산화 물질이 산소를 얻는 반응을 산화라고 하며, 구리의 산화가 그 예이다. 환원 물질이 산소를 잃는 반응을 환원이라고 하며, 산화 구리(II)를 탄소 가루와 섞어 가열하면 구리로 환원되는 반응이 그 예이다.
산화 반응과 환원 반응은 항상 동시에 일어난다. 화학반응이 일어날 때 한 물질이 산소를 얻으면 다른 물질이 산소를 잃는다. 연소, 철의 제련, 음식물의 부패, 과일의 갈변 등 일상생활 속에서도 다양한 산화환원반응이 일어나고 있다.
2.2. 일상속의 산화환원 반응
일상속의 산화환원 반응은 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다.
먼저, 숯의 연소 과정에서 탄소(C)가 완전 연소하면 이산화 탄소(CO2)가 생성되는데, 이는 산소(O2)와의 산화환원 반응이다.""
또한 메테인(CH4)의 연소 과정에서도 천연가스(LNG)의 주성분인 메테인이 산소와 반응하여 이산화 탄소(CO2)와 물(H2O)이 생성되는 산화환원 반응이 일어난다.""
철의 제련 과정에서도 산화환원 반응이 중요한 역할을 한다. 자연에서 철은 대부분 산소와 결합한 철광석의 형태로 존재하므로, 이를 환원시켜 순수한 철을 얻는 것이 철의 제련 과정이다. 코크스(C)가 불완전 연소되어 일산화 탄소(CO)를 생성하고, 이 일산화 탄소가 철광석을 환원시켜 철(Fe)로 만드는 반응이 일어난다.""
또한 석회석(CaCO3)을 이용하여 철광석에 포함된 불순물인 이산화 규소(SiO2)를 제거하기도 한다. 이 과정에서 산화환원 반응이 복합적으로 일어난다.""
음식물의 부패, 과일의 갈변, 광합성과 호흡, 불꽃놀이, 일회용 손난로, 반딧불이의 불빛, 폭탄먼지벌레의 악취 등 우리 생활 속 다양한 현상에서도 산화환원 반응이 관찰된다.""
이처럼 산화환원 반응은 자연 현상과 일상생활 곳곳에서 나타나며, 이해하고 활용하는 것이 중요하다.""
2.3. Cyclic Voltammetry(CV)
Cyclic Voltammetry(CV)는 전기화학적 분석에 널리 사용되는 기법으로, 전극 표면에서 용액 내 물질의 산화·환원 반응을 관찰할 수 있다. 이 기법은 전극의 전위를 시간에 따...
