전기화학13045 박현민

산화 - 환원 반응 표기하기

반쪽 반응13.1

반쪽 반응

산화와 환원 과정을 따로 생각하는 것

반쪽 반응식

𝑍𝑛 (𝑠)+2𝐴𝑔+ ¿ (𝑎𝑞)→𝑍 𝑛2+¿ (𝑎𝑞 )+2𝐴𝑔 (𝑠 )¿ ¿

𝑍𝑛 (𝑠)+2𝐴𝑔+ ¿ (𝑎𝑞)→𝑍 𝑛2+¿ (𝑎𝑞 )+2𝐴𝑔 (𝑠 )¿ ¿

𝑍𝑛 (𝑠)+2𝐴𝑔+ ¿ (𝑎𝑞)→𝑍 𝑛2+¿ (𝑎𝑞 )+2𝐴𝑔 (𝑠 )¿ ¿+𝟐𝒆−

𝒆−+¿

10.1 반쪽 반응

반 쪽 반 응 은 전 체 산 화 - 환 원

반응을 거기에 기여하는 두 부분

( 즉 , 산화 반응과 환원 반응 )

으로 분리하여 나타내는 것이다 .

산화 - 환원 반응식 균형 맞추기

13.2

산성 용액에서 균형 맞추기

예제 13.1 과망가니즈산 이온 MnO4- 는 옥살산 H2C2O4

와 산성 수용액에서 반응하여 망가니즈 (II) 이온과

이산화 탄소를 생성한다 . 이 반응의 알짜 이온 반응식을

균형 맞추시오 .

𝑀𝑛𝑂4− (𝑎𝑞 )+𝐻2𝐶2𝑂4 (𝑎𝑞 )→𝑀𝑛2+¿(𝑎𝑞)+𝐶𝑂2 (𝑔)¿

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

환원된 화학종을 확인한다 .

이 환원됨

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

환원의 골격 반응식을 적는다 .

𝑀𝑛𝑂4−→𝑀𝑛2+¿ ¿

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

H 와 O 이외의 원소의 균형을 맞춘다 .

𝑀𝑛𝑂4−→𝑀𝑛2+¿ ¿

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

H2O 을 더하여 O 원자의 균형을 맞춘다 .

𝑀𝑛𝑂4−→𝑀𝑛2+¿+4𝐻 2𝑂¿

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

H+ 를 더하여 H 원자의 균형을 맞춘다 .

𝑀𝑛𝑂4−+8𝐻+¿→𝑀𝑛 2+¿+4𝐻2𝑂 ¿¿

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

전자를 더하여 전하를 맞춘다 .

𝑀𝑛𝑂4−+8𝐻+¿+5 𝑒−→𝑀𝑛2+¿+4𝐻 2𝑂 ¿ ¿

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

산화된 화학종을 확인한다 .

가 산화됨

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

산화의 골격 반응식을 적는다 .

𝐻2𝐶2𝑂4→𝐶𝑂2

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

H 와 O 이외의 원소의 균형을 맞춘다 .

𝐻2𝐶2𝑂4→2𝐶𝑂2

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

H2O 을 더하여 O 원자의 균형을 맞춘다 .

𝐻2𝐶2𝑂4→2𝐶𝑂2

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

H+ 를 더하여 H 원자의 균형을 맞춘다 .

𝐻2𝐶2𝑂4→2𝐶𝑂2+2𝐻+¿¿

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

전자를 더하여 전하를 맞춘다 .

𝐻2𝐶2𝑂4→2𝐶𝑂2+2𝐻+¿+2𝑒−¿

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

전체 반응식을 적는다 . 전자 개수의 균형을 맞춘다 .

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

두 반응식을 더하고 전자를 상쇄한다 .

2𝑀𝑛𝑂4−+5𝐻2𝐶2𝑂4+16𝐻

+¿→ 2𝑀𝑛2 +¿+8𝐻2𝑂+10𝐶𝑂

2+10𝐻+¿ ¿ ¿ ¿

산성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

왼쪽의 10H+ 와 오른쪽의 10H+ 를 상쇄하고 물리적 상태를 적는다 .

2𝑀𝑛𝑂4−(𝑎𝑞)+5𝐻2𝐶2𝑂4 (𝑎𝑞)+6𝐻+¿→ 2𝑀𝑛2+¿(𝑎𝑞 )+8𝐻

2𝑂(𝑙 )+10𝐶𝑂

2(𝑔) ¿ ¿

염기성 용액에서 균형 맞추기

예제 13.2 브로민화 이온과 과망가니즈산 이온 MnO4-

가 염기성 용액에서 반응하면 고체 산화 망가니즈 (IV)

MnO2 와 브로민산 이온 BrO3- 를 생성한다 . 이 반응의

알짜 이온 반응식을 균형 맞추시오 .

𝐵𝑟− (𝑎𝑞 )+𝑀𝑛𝑂4− (𝑎𝑞 )→𝑀𝑛𝑂2(𝑠)+𝐵𝑟 𝑂3

−(𝑎𝑞)

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

환원된 화학종을 확인한다 .

이 환원됨

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

환원의 골격 반응식을 적는다 .

𝑀𝑛𝑂4−→𝑀𝑛𝑂2

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

Mn 원자의 균형을 맞춘다 .

𝑀𝑛𝑂4−→𝑀𝑛𝑂2

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

H2O 를 더하여 O 원자의 균형을 맞춘다 .

𝑀𝑛𝑂4−→𝑀𝑛𝑂2+2𝐻2𝑂

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

H 원자가 필요한 쪽에 H2O 를 더하고 , 반대쪽에 OH- 이온을 더하여 H 원자의 균형을 맞춘다 .

𝑀𝑛𝑂4−+4𝐻2𝑂→𝑀𝑛𝑂2+2𝐻2𝑂+4𝑂𝐻−

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

화살표 양쪽의 동일한 화학종을 상쇄한다 .

𝑀𝑛𝑂4−+2𝐻2𝑂→𝑀𝑛𝑂2+4𝑂𝐻−

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

전자를 더하여 전하를 맞춘다 .

𝑀𝑛𝑂4−+2𝐻2𝑂+3 𝑒−→𝑀𝑛𝑂2+4𝑂𝐻 −

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

산화된 화학종을 확인한다 .

이 산화됨

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

산화의 골격 반응식을 적는다 .

𝐵𝑟−→𝐵𝑟 𝑂3−

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

Br 원자의 균형을 맞춘다 .

𝐵𝑟−→𝐵𝑟 𝑂3−

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

H2O 를 더하여 O 원자의 균형을 맞춘다 .

𝐵𝑟−+3𝐻2𝑂→𝐵𝑟𝑂3−

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

H 원자가 필요한 쪽에 H2O 를 더하고 , 반대쪽에 OH- 이온을 더하여 H 원자의 균형을 맞춘다 .

𝐵𝑟−+3𝐻2𝑂+6𝑂𝐻−→𝐵𝑟 𝑂3−+6𝐻 2𝑂

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

화살표 양쪽의 동일한 화학종을 상쇄한다 .

𝐵𝑟−+6𝑂𝐻−→𝐵𝑟 𝑂3−+3𝐻 2𝑂

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

전자를 더하여 균형을 맞춘다 .

𝐵𝑟−+6𝑂𝐻−→𝐵𝑟 𝑂3−+3𝐻 2𝑂+6𝑒−

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

전체 반응식을 적는다 .

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

두 반응식을 더하고 전자를 상쇄한다 .

2𝑀𝑛𝑂4−+𝐵𝑟−+6𝑂𝐻−+4𝐻 2𝑂→2𝑀𝑛𝑂2+𝐵𝑟 𝑂3

−+8𝑂𝐻−+3𝐻2𝑂

염기성 용액에서 균형 맞추기 (Cont.)

3H2O 와 6OH- 를 상쇄하고 물리적 상태를 적는다 .

2𝑀𝑛𝑂4−(aq)+𝐵𝑟−(aq )+𝐻2𝑂( 𝑙)→2𝑀𝑛𝑂2(𝑠)+𝐵𝑟 𝑂3

−(𝑎𝑞)+2𝑂𝐻−(𝑎𝑞)

10.2 산화 - 환원 반응식 균형 맞추기

환원 반쪽 반응의 화학 반응식과

산화 반쪽 반응의 화학 반응식을

더하여 전체 산화 - 환원 반응의

균형 맞춘 화학 반응식을 얻는다 .

갈바니 전지

갈바니 전지의 구조13.3

반응 모식도

Daniell 전지

13.3 갈바니 전지의 구조

갈바니 전지에서는 자발적인 화학

반 응 에 의 해 , 전 자 가 환 원 이

일어나는 곳인 환원전극을 통해

전 지 로 들 어 가 고 , 산 화 가

일 어 나 는 곳 인 산 화 전 극 에 서

전자가 방출된다 .

전지 전위와 반응 GIBBS 자유 에너지

13.4

전위

1C 의 전하가 1V 의 전위차를 통해

낙하할 때 1J 의 에너지를 방출함

전지 전위와 Gibbs 자유 에너지 간의 관계

∆𝐺𝑟=𝑤𝑒=(−𝑛𝑒𝑁 𝐴 )×𝐸=−𝑛𝐹𝐸

13.4 전지 전위와 반응 Gibbs 자유 에너지

전지 전위와 반응 Gibbs 자유

에너지는 로 연관되고 , 이들의

표준값들은 로 연관된다 . 전기

전위의 크기는 화학 반응식을

기 재 하 는 방 법 과 무 관 하 게

일정하다 .

전지의 표기13.5

전극의 표기

,

전지 도표

𝑍𝑛 (𝑠)∨𝑍𝑛2+¿(𝑎𝑞)∨𝐶𝑢2+¿(𝑎𝑞 )∨𝐶𝑢( 𝑠) ¿ ¿

염다리

𝑍𝑛 (𝑠)∨𝑍𝑛2+¿(𝑎𝑞)∨¿𝐶𝑢2 +¿( 𝑎𝑞)∨𝐶𝑢 (𝑠 )¿ ¿

전극 중 비활성 금속 부분

𝑃𝑡 (𝑠 )|𝐻2 (𝑔)|𝐻+¿(𝑎𝑞)¿

전지 전위

,

전자

산화전극(-)

환원전극(+)

전지 전위 (Cont.)

,

전자

산화전극(-)

환원전극(+)

13.5 전지의 표기

전극을 표기할 때 상 사이의 계면을

수직선으로 나타낸다 . 전지 도표는

화학종들과 계면의 물리적 배열을 보여

주 는 데 , 이 때 염 다 리 는 이 중

수직선으로 나타낸다 . 전지 전위의

부호는 전지 도표의 오른쪽 전극에

대해 측정한 것과 같다 . 양의 전지

전위는 전지 반응이 기재된 방향으로

자발적으로 진행한다는 것을 의미한다 .

표준 전위13.6

표준 전위

𝐸전 지° =𝐸𝑅

° −𝐸𝐿°

H 와 비슷하게 절대값을 측정할 수 없다

표준 수소 전극

,

S 처럼 절대적인 기준을 만든다

전위에 따른 경향성

0

환원 반쪽 반응의 전자 흡입력

증가

다른 산화 - 환원쌍 산화시킴

환원 반응으로 일어나려고 함

산화 반쪽 반응의 전자 제공력

증가

다른 산화 - 환원쌍 환원시킴

산화 반응으로 일어나려고 함

13.6 표준 전위

어떤 전극의 표준 전위는 전지

도표 상에서 수소 전극이 왼쪽에

자 리 한 전 지 의 표 준 전 위 에

해 당 한 다 . 음 의 전 위 를 가 진

금 속 은 용 액 속 에 있 는 수 소

이온을 환원하려는 열역학적인

경향이 있고 , 양의 전위를 가진

금속 이온은 수소 기체에 의해

환원되려는 경향이 있다 .

전기화학적 서열13.7

전기화학적 서열

표준 전위표

13.7 전기화학적 서열

산화 - 환원쌍의 산화 및 환원력이

전 기 화 학 적 서 열 의 위 치 를

결정한다 . 가장 강한 산화제가

전 극 전 위 표 에 서 가 장 위 에

위치하고 , 가장 강한 환원제가

가장 아래에 위치한다 .

표준 전위와 평형 상수13.8

표준 반응 Gibbs 자유 에너지

∆𝐺𝑟°=−𝑛𝐹 𝐸전 지

° =−𝑅𝑇 ln 𝐾

표준 전지 전위로부터 평형 상수 계산

ln𝐾=𝑛𝐹 𝐸전지

°

𝑅𝑇=

𝑛𝐸전지°

0.025693𝑉

13.8 표준 전위와 평형 상수

반 쪽 반 응 을 조 합 하 여 전 지

반 응 을 구 성 하 고 , 그 전 지 의

표준 전위를 결정하면 이로부터

평형 상수를 계산할 수 있다 .

NERNST 식13.9

Nernst 식

∆𝐺𝑟=∆𝐺𝑟°+𝑅𝑇 ln𝑄−𝑛𝐹 𝐸전 지=−𝑛𝐹 𝐸전지

° +𝑅𝑇 ln𝑄𝐸전 지=𝐸전지° −

𝑅𝑇𝑛𝐹

ln𝑄𝐸전 지=𝐸전지° −

0.025693𝑉𝑛

ln𝑄

𝐸전 지=𝐸전지° −

0.05917𝑉𝑛

log𝑄

13.9 Nernst 식

전 지 전 위 의 조 성 의 존 성 은

Nernst 식으로 표현된다 .

이온 선택 전극13.10

이온 선택 전극

특정한 이온의 농도에만 민감한 전극

수소 전극과 칼로멜 전극

𝐸전 지=𝐸전지′ −

𝑅𝑇𝐹l𝑛¿¿𝐸전 지=𝐸전지

° −𝑅𝑇𝐹l𝑛[𝐶𝑙−]−

𝑅𝑇𝐹l𝑛¿¿

𝐻𝑔2𝐶 𝑙2 (𝑠 )+𝐻2 (𝑔 )→2𝐻+¿ (𝑎𝑞 )+2𝐻𝑔 ( 𝑙 )+2𝐶 𝑙− (𝑎𝑞)¿

13.10 이온 선택 전극

pH 나 이온의 농도는 특정 이온에

대해서만 선택적으로 감응하는

전극을 사용하여 측정할 수 있다 .

감사합니다

이 프리젠테이션은http://slideshare.net/525hm/141021에서 다시 보실 수 있습니다