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18.6
전지 전위와 반응 혼합물의 조성:Nernst식
Nernst식 유도1
△G=△G°+RTlnQ
Nernst식 유도2
(-)nFE=(-)nFE°+RTlnQ
Nernst식 유도3
E=E°-RTlnQ/nF
Nernst식 유도4
E=E°-0.0592logQ/n
Nernst식 활용
비표준 상태에서 활용
Zn(s)+2H(+)(aq) → Zn(2+)(aq)+H2(g)의 E°=0.76V의 전지전위1
E=E°-0.0592logQ/n
Zn(s)+2H(+)(aq) → Zn(2+)(aq)+H2(g)의 E°=0.76V의 전지전위2
E=E°-0.0592logQ/n×log[Zn(2+)]PH2/[H(+)](2)=0.88V
생성물=반응물
Q=1 → logQ=0 → E=E°
생성물>반응물
Q>1 → logQ>0 → E<E°
생성물<반응물
Q<1 → log<0 → E>E°
18.5
전지 전위의 농도의존도
18.6-Ⅰ
비표준 상태에서 전지전위
Cu+2Ce(4+)→Cu(2+)+2Ce(3+)에서 [Ce(4+)]=2,[Cu(2+)],[Ce(3+)]=1
정반응 진행, 전지전위는 표준전위보다 큰 값으로 증가된다
Cu+2Ce(4+)→Cu(2+)+2Ce(3+)에서 [Ce(4+)]=0.1,[Cu(2+)],[Ce(3+)]=1
역반응 진행, 전지전위는 표준전지전위는 보다 작은 값으로 감소된다
위 문제의 다른 풀이법
E=E°-0.0592/2×log[Cu(2+)][Ce(3+)](2)/[Ce(4+)]에 대입해서 비교
위 문제의 JQ풀이
E=E°-0.0592/2×log[Cu(2+)][Ce(3+)](2)/[Ce(4+)]에 분모는 小 분자는 大로 E°>E로 푼다
18.6-Ⅱ
농도차 전위
Ag농도차 전위 산화 전극
Ag→Ag(+)(0.1M)+e(-)
Ag농도차 전위 환원 전극
Ag(+)+e(-)→Ag
Ag농도차 전위E
E°-0.0592logQ/n=0.0592log0.1/1=0.0592V
18.6-Ⅲ
Nernst식의 이용2
pt l H2(1atm) l H(+)(?M) ll 기준음극'의 E1
E(전지전압)=E(기준음극)-E(2H(+)→H2)
pt l H2(1atm) l H(+)(?M) ll 기준음극'의 E2
E(전지전압)=E(기준음극)+E(H2→2H(+))
pt l H2(1atm) l H(+)(?M) ll 기준음극'의 E3
E(전지전압)=E(기준음극)-0.0592/2xlog[H(+)](2)/pH2
pt l H2(1atm) l H(+)(?M) ll 기준음극'의 E4
E(전지전압)=E(기준음극)+PH
PH
E(전지전압)-E(기준음극)/0.0592
E(전지전압)와 PH1
전지전압이 높아지면 PH가 높아진다
E(전지전압)와 PH2
E(전지전압)를 알아서 PH를 측정한다
18.6-Ⅳ
Nernst식의 이용3:평형상수계산(표준전지전위와 평형상수)
표준 전지 전위로부터 평형상수를 계산하는 식
(-)nFE°=(-)RTlnK
0.0592/n×logK
위 식의 활용
표준 전지 전위를 측정해 평형 상수를 계산할 수 있다
E와 △G°
(-)nFE(n:몰수)=△G°
△G°와 K
(-)RTlnK=△G°
K와 E
E°=0.0592/n×logK
농도로부터 평형상수K 구하기
K=[C](c)[D](d)/[A](a)[B](B)
열역학적 자료로 부터 평형상수 K구하기1
(-)RTlnK=△G°
열역학적 자료로 부터 평형상수 K구하기2
lnK=(-)△G°/RT
전기화학적 자료로부터 평형상수K 구하기1
E°=RTlnK/Nf
전기화학적 자료로부터 평형상수K 구하기2
lnK=nFE°/RT
반쪽 전지 반응의 전위차 성질
세기성질→배수,+,-주의
각 반쪽 반응에 대한 자유E변화
△G°반쪽=(-)n반쪽FE°
E°를 계산하기 위해△G°의 계산
△G°3=△G°1+△G°2=(-)n1FE°1+(-)n2FE°2
18.6-Ⅵ
환원 전위 도식과 불균등화 반응
Latimer도표
Cu(2+)-0.158v-Cu(+)-0.522v-Cu(전체 기전력:0.340V)
2Cu(+)→Cu+Cu(2+)
중간 산화 단계2Cu(+)가 하나는 산화해Cu(2+) 하나는 환원되Cu가 된다
불균등화 자발반응의 조건
환원전위 > 산화전위(왼쪽 환원 전위)
18.8
전기 분해와 전해전지
Zn-Cu갈바니 전지 산화전극1
Zn→Zn(2+)+2e(-) E°=0.76V
Zn-Cu갈바니 전지 환원전극1
Cu(2+)+2e(-) → Cu E°=0.34V
Zn-Cu갈바니 전지 전체반응식
Zn+Cu(2+)→Zn(2+)+Cu E°=1.1V
Zn-Cu갈바니 전지 산화전극2
(-),양극,Anode
Zn-Cu갈바니 전지 환원전극2
(+),음극,Cathode
갈바니 전지의 E°보다 더 큰 전압을 가함
화학반응은 역으로 진행된다(전해전지)
Zn-Cu전해전지의 산화전극1
Zn→Zn(2+)+2e(-)
Zn-Cu전해전지의 산화전극2
(+),양극,anode
Zn-Cu전해전지의 환원전극1
Cu(2+)+2e(-) → Cu
Zn-Cu전해전지의 환원전극2
(-),음극,cathode
Zn-Cu전해전지의 전체반응
Cu+Zn(2+) → Cu(2+)+Zn
전기분해1
전해질의 수용액이나 용융상태에서 직류전류를 통하면 전해질은 두 전극에서 화학변화
전기분해2
백금(Pt)와 같은 활성이 없는 금속을 전극으로 직류 전류를 통해줌
전기분해-수용액이나 용융액의 양이온
음극으로 끌려가 전자를 얻어 환원(X(+)+e(-) → X)
전기분해-수용액이나 용융액의 음이온
양극으로 끌려가 전자를 잃어 산화(X(-) → X+e(-))
물(H(+))보다 환원되기 어려운 양이온
수소보다 이온화 경향이 큰 양이온(K+.Ca2+.Na+~Pb2+)
물(H(+))보다 환원되기 쉬운 양이온
수소보다 이온화 경향이 작은 양이온(Cu2+.Ag+.Au3+)
물(OH(-))보다 산화되기 어려운 음이온
F-.SO4(2-).NO3(-).CO3(2-).PO4(3-)
물(OH(-))보다 산화되기 쉬운 음이온
Cl-.Br-.I-.전극(자기자신)
산화-환원이 여러 물질이 일어날때 E°결정
E°가 큰것이 산화.환원이 잘 일어난다
NaCl수용액의 전기분해 산화반응1
2Cl-.2H2O(예외:원래 물이 산화되야 하나 과전압때문에 Cl-가 산화)
NaCl수용액의 전기분해 산화반응2
2Cl(-) → Cl2+2e(-)
NaCl수용액의 전기분해 환원반응1
Na+.2H2O.2H(+)(예외:원래 수소이온이 환원되야 하나 물이 환원된다)
NaCl수용액의 전기분해 환원반응2
2H2O+2e(-) → H2+2OH(-)
NaCl수용액의 전기분해시 액성변화
NaOH양의 증가에 따라 염기성
CuSO4수용액의 전기분해 산화반응1
OH-.SO4(2-)
CuSO4수용액의 전기분해 산화반응2
2OH(-)→1/2O2+H2O+2e(-)
CuSO4수용액의 전기분해 환원반응1
Cu2+.H+
CuSO4수용액의 전기분해 환원반응2
Cu2(+)+2e(-)→Cu
용융된 NaCl 전기분해 산화반응
2Cl(-)→Cl2+2e(-)
용융된 NaCl 전기분해 환원반응
Na(+)+e(-)→Na
Cu전극판이 사용된 CuSO4수용액의 환원반응1
Cu2+.H+
Cu전극판이 사용된 CuSO4수용액의 환원반응2
Cu2(+)+2e(-)→Cu
Cu전극판이 사용된 CuSO4수용액의 산화반응1
OH-.SO4(2-).Cu
Cu전극판이 사용된 CuSO4수용액의 산화반응2
Cu→Cu(2+)+2e(-)
Ag전극판이 사용된 AgNO3수용액의 환원반응1
Ag+.H+
Ag전극판이 사용된 AgNO3수용액의 환원반응2
Ag(+)+e(-)→Ag
Ag전극판이 사용된 AgNO3수용액의 산화반응1
OH-.NO3(-).Ag
Ag전극판이 사용된 AgNO3수용액의 산화반응2
Ag→Ag(+)+e(-)
18.8-Ⅲ
페러데이의 법칙
페러데이 법칙
전기분해 할때 통해준 전기량과 전극에서 생성되는 물질의 양사이의 관계 설명
페러데이 1법칙
같은 전해질을 전기분해할대 생성되는 물질의 양은 통해준 전기량에 비례한다
페러데이 1법칙 활용
전류와 흐른 시간을 알면 전지를 통하여 몇MOL의 전자가 이동했는지 알 수 있다
Q(전하:C)
i×t=전류(A)×시간(s)
1F
전자1mol의 전하량(전기량)
1F→C
96500C=1.6×10(-9)C×6.02×10(23)
페러데이 2법칙
1F의 전기량을 통했을 때 얻어지는 물질의 양은 전자 1몰이 이동한 만큼의 물질이 석출된다
Ag(+)+e(-)→Ag의 반응에 1F를 가함
Ag가 1몰이 생성
Cu(2+)+2e(-)→Cu의 반응에 2F가함
Cu가 1몰이 생성