이 실험 소개
물에 전류를 흘려보내면 물은 원소로 분해됩니다. 호프만 전압계에서는 기체가 눈금이 있는 두 개의 관에 모입니다. 수소는 음극 위에, 산소는 양극 위에 모이며, 수소의 양은 항상 산소의 약 두 배입니다. 전압을 높이고, 용액을 바꾸고, 만능 지시약을 넣어 전극에서 산과 알칼리가 생성되는 모습을 관찰해 보세요. 그리고 각 기체를 불씨가 남은 나무 조각으로 시험해 보세요.
학습 목표
- 물을 전기 분해할 때 음극과 양극에서 생성되는 물질을 확인합니다
- 수소의 부피가 산소의 부피보다 두 배 큰 이유를 설명합니다
- 순수한 물에 황산나트륨과 같은 전해질을 첨가해야 하는 이유를 설명합니다
- 각 전극에서 일어나는 반쪽 반응식을 씁니다
- 패러데이 상수를 사용하여 전류와 시간으로 기체의 부피를 계산합니다
사용 방법
- 1순수한 물을 선택하고 6 V로 전원을 켭니다. 전류에 대해 무엇을 알 수 있나요? 그런 다음 황산나트륨 용액을 선택합니다.
- 2몇 분 동안 기체를 모읍니다. 두 관의 눈금을 읽고 부피를 비교합니다.
- 3각 관의 기체에 불붙인 나무 조각을 대어 확인하세요. 어떤 기체가 ‘펑’ 소리를 내며 타고, 어떤 기체가 불씨만 남은 나무 조각을 다시 타오르게 하나요?
- 4만능 지시약을 넣었을 때 각 전극 근처의 색을 설명하세요. 각 전극에서 어떤 이온이 생성되나요?
- 5전압을 단계적으로 낮추세요. 기체가 더 이상 생성되지 않는 전압을 찾으세요.
- 6통과한 전하량으로 전자의 몰수를 계산한 다음, 1몰당 24 L를 사용해 수소의 부피를 구하세요. 관 속 기체의 양과 비교해 확인하세요.
모델
가정
- 기체는 약 1.8 V를 넘어야 생성됩니다. 반응에 필요한 최소 전압은 1.23 V이지만, 기포를 만들려면 전극에 추가 전압(과전압)이 필요합니다.
- 그보다 높은 전압에서는 전류가 용액의 저항에 따라 달라지며, 저항은 전해질에 따라 다릅니다. 순수한 물에는 이온이 거의 없어 전기가 거의 통하지 않습니다.
- 모든 전자가 기체 생성에 쓰이고(전류 효율 100 %), 기체는 물에 녹지 않는다고 가정합니다. 부피는 20 °C 및 101.3 kPa에서 측정한 값입니다.
- 황산나트륨, 황산, 수산화나트륨은 전류를 통하게 할 뿐입니다. 이들의 이온은 방전되지 않으므로 생성물은 항상 수소와 산소입니다.
- 시간이 빠르게 흐르도록 설정되어 있습니다. 6 V에서는 수소를 모으는 관이 실제 시간으로 약 10분 만에 가득 찹니다.
수업에서 해 보기
- Q10.5 A의 전류를 10분 동안 흘립니다. 수소와 산소는 각각 어느 정도의 부피로 모일까요?
- Q2왜 음극 근처에서는 지시약이 보라색으로, 양극 근처에서는 빨간색으로 변할까요?
- Q3실제 전량계에서는 산소의 부피가 수소 부피의 절반보다 약간 작은 경우가 많습니다. 그 이유를 생각해 보세요.
- Q4이 실험에서 염화나트륨 용액을 전해질로 사용하는 것이 적절하지 않은 이유는 무엇일까요?
- Q5전류가 2 A일 때 수소 1리터를 모으려면 얼마나 걸릴까요?
자주 묻는 질문
반응하지 않는데도 황산나트륨을 넣는 이유는 무엇일까요?
순수한 물에는 H⁺ 이온과 OH⁻ 이온이 극히 적게 들어 있어 전기가 잘 통하지 않습니다. 황산나트륨을 넣으면 용액에 전류를 운반할 이온이 충분히 공급됩니다. 한편 전극에서 산화·환원되는 물질은 여전히 물 자체입니다.
부피비가 왜 2:1일까요?
수소 분자 하나에는 전자 2개가 필요하고 산소 분자 하나는 전자 4개를 방출합니다. 두 전극을 통과하는 전자의 수는 같으므로 수소 분자는 산소 분자보다 2배 많이 생성됩니다. 아보가드로 법칙에 따라 같은 수의 기체 분자는 같은 부피를 차지하므로 부피는 2배가 됩니다.
염화나트륨 용액에서는 어떤 일이 일어날까요?
특히 농도가 높은 용액에서는 물 대신 염화 이온이 양극에서 산화되어 유독한 염소 기체가 발생합니다. 음극에서는 여전히 수소가 발생합니다. 이것은 산업에서 사용되는 클로르알칼리 공정이며, 교실에서 안전하게 시연할 수 있는 실험이 아닙니다.