이 실험 소개
갈바니 전지는 화학 반응을 전기로 바꿉니다. 아연을 황산아연에, 구리를 황산구리에 넣고 금속끼리는 전선으로, 용액끼리는 염다리로 연결하면 전자는 아연에서 구리로 흐릅니다. 각 금속은 전자를 잃으려는 고유한 경향이 있으며, 이는 전극 전위로 측정됩니다. 두 전극 전위의 차이가 전압을 만듭니다. 서로 다른 금속을 짝짓고 농도와 온도를 바꾼 다음 부하를 연결해 반응이 진행되면서 전지가 방전되는 모습을 살펴보세요.
학습 목표
- 갈바니 전지의 양극, 음극 및 전자 흐름 방향을 확인하세요
- 표준 전극 전위로 표준 전지 전위를 계산하세요
- 전지의 반쪽 반응식과 전체 반응식을 쓰세요
- 네른스트 방정식을 사용해 농도와 온도가 전압을 어떻게 변화시키는지 설명하세요
- 염다리의 역할과 전지의 전압이 결국 사라지는 이유를 설명하세요
사용 방법
- 1아연과 구리를 각각 1 M로 설정하고 전압계의 값을 읽으세요. E°(Cu²⁺/Cu) - E°(Zn²⁺/Zn)와 비교해 확인하세요.
- 2구리를 은으로 바꾼 다음, 반대쪽 전극을 마그네슘으로 바꾸세요. 어떤 조합에서 전압이 가장 크게 나타나며, 각각의 경우 어느 전극이 양극인가요?
- 3아연과 구리로 돌아가세요. 구리 이온 농도를 0.01 M로 낮추세요. 전압은 얼마나 변하나요? 네른스트 방정식과 비교해 보세요.
- 4양쪽에 구리를 놓고 농도를 각각 1 M와 0.001 M로 설정하세요. 두 전극이 같은 금속인데도 왜 전압이 발생하나요?
- 5부하 연결 및 방전을 누르세요. 전극, 구리 용액의 색, 전압 그래프를 관찰하세요. 전압은 언제 급격히 떨어지나요?
- 6부하 저항을 더 작게 만드세요. 그러면 전류와 전지가 지속되는 시간은 어떻게 달라지나요?
모델
가정
- 전극 전위에는 25 °C에서의 표준값과 활동도 대신 농도를 사용하는 네른스트 방정식을 사용합니다.
- 각 비커에는 100 mL가 들어 있습니다. 염다리에는 저항이 있으며, 용액의 저항과 합한 내부 저항은 2 Ω으로 간주합니다.
- 전류는 확산이 공급할 수 있는 양보다 커질 수 없습니다. 음극에서는 이온 농도 1 mol/L당 2 A로 제한됩니다. 따라서 음극의 이온이 고갈되면 전압이 빠르게 떨어집니다.
- 아연이 용액의 산과 직접 반응하는 것과 같은 부반응은 무시합니다. 전지가 방전되는 동안 시간은 1초당 1시간의 속도로 흐릅니다.
수업에서 해 보기
- Q1목록에서 가장 강한 환원제는 어떤 금속인가요? 전극 전위로 어떻게 알 수 있나요?
- Q2마그네슘과 은으로 이루어진 전지의 전체 반응식을 쓰세요. 표준 전지 전위는 얼마인가요?
- Q3염다리를 제거하면 전지가 왜 작동을 멈추나요?
- Q4아연-구리 전지의 전압은 왜 수명의 대부분 동안 거의 변하지 않다가 갑자기 떨어지나요?
- Q5농도 전지의 양쪽에 같은 금속이 있습니다. 어느 쪽이 음극인가요? 방전이 진행되면서 두 용액의 농도는 어떻게 변하나요?
자주 묻는 질문
전기 분해에서는 양극이 양전하를 띠는데, 갈바니 전지에서는 왜 양극이 음전하를 띠나요?
산화는 항상 양극에서 일어납니다. 갈바니 전지에서는 산화로 전자가 금속 안으로 방출되므로 양극이 음극이 됩니다. 전기 분해에서는 외부 전원이 양극에서 전자를 끌어내므로 양극이 양극 단자에 연결됩니다.
염다리는 어떤 역할을 하나요?
용액들이 서로 섞이지 않게 하면서 이온이 용액 사이를 이동하게 해 각 용액을 전기적으로 중성으로 유지합니다. 음이온은 양극으로, 양이온은 음극으로 이동합니다.
부하를 연결하면 전압계의 측정값이 왜 떨어지나요?
전류가 흐르면 기전력의 일부가 전지의 내부 저항을 통해 전류를 흐르게 하는 데 사용됩니다. 부하에 걸리는 전압은 기전력에서 I와 r의 곱을 뺀 값입니다.