1

Chapter 12. 전기화학

전기화학: 산화-환원 반응의 화학 -------- 전자 흐름의 물리학 연결시키는 분야 자발적 화학반응 전기에너지원 비자발적 화학 반응

전지에 에너지 저장하거나, 태양에너지, 화학에너지 등 쉽게 이용 가능한 에너지원을 기술적인 응용이 가능한 형태의 에너지로 효과적으로 변환시키는 것과 같은 실용적인 문제들과 직접 관련되어 있음.

산화-반응의 균형식 전기화학전지의 작동원리 생성된 전류와 화학량론 사이의 관계 전지들의 작동에 열역학 원리 적용 배터리와 연료전지의 응용 및 금속의 자발적 부식에 대해.

12.1 전기화학 전지

갈바니 전지(galvanic cell, voltaic cell)

전해전지(electrolytic cell)

6장에서 본 것 처럼, 질산은 용액에 구리를 넣으면, Cu(s) Cu2+(aq) + 2e- Ag+(aq) + e- Ag(s) ----------------------------------- Cu(s) + 2Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s)

2

이 반응을 이용해 갈바니 전지를 만들면 Cu | Cu2+ || Ag+ | Ag

전기적인 연속성 유지 공간적 분리 => 전자의 직접이동을 막고 전선 통해 흐르게 하여 전지로 이용함.

그림 12.2 갈바니 전지 직접 그려보기

3

갈바니전지와 전해전지 위치에너지차 물의 흐름 전위차(electrical potential difference), ∆ε 전지전압(cell voltage) 전압계(voltameter) 이용하여 측정 전압계의 문제점: 너무 많은 전류 흐르면 전압 강하 따라서 화학전지가 갖는 고유전지전압(즉 전류의 흐름이 없을 때의 전압) 측정: 외부회로에 가변 전압원 연결 ε ε ε∆ = ∆ −∆알짜 외부

0ε∆알짜

이 될 때까지 ε∆외부를 조절하여 측정할 수 있음. 이 때 회로의 전류는 0

만약 ε∆외부를 ε∆ 보다 약간 작게 하면 알짜 전위차는 작게 되고 따라서 전극에서

는 아주 적은 양의 전류만이 흘러 전극에서의 반응속도도 느려지므로 전지 작동은 거의 가역적으로 이루어 짐. 만약 ε ε∆ > ∆

외부 이면 반대방향으로 반응이 일어남

Cu2+(aq) + 2Ag(s) Cu(s) + 2Ag+(aq)

즉, 전기에너지를 가해 비자발적 반응이 일어나도록 하는데 이를 전해전지(electrolytic cell)이라 함. 이 경우, Cu가 환원전극이 되고 Ag가 산화전극이 됨.

예제 12.1 풀어볼 것

관련문제 2. Ni(s) | Ni2+(aq) || HCl(aq) | H2(g) | Pt(s)

산화전극: Ni(s) Ni2+(aq) + 2e- 환원전극: 2H+(aq) + 2e- H2(g) ------------------------------------------- Ni(s) + 2H+(aq) Ni2+(aq) + H2(g) Ni(s) + 2HCl(aq) H2(g) + NiCl2(aq)

4

패러데이의 법칙 전하량 --- (소모 혹은 석출) 물질의 양을 규정하는 법칙 1. 소모된 물질의 양 ∝ 전지 통해 흐른 전하량 2. 일정 전하량이 전지에 흐르면 이에 상응하는 물질의 당량만큼 전극에서 생성되거나 소모됨. 당량(equivalent mass): 물질량 / 산화상태 변화치 전자 하나의 전하 e = 1.60217646 × 10-19 C 전자 1몰의 전하량 Q = (6.0221420 × 1023 mol-1)*(1.60217646 × 10-19 C)

= 96,485.31 C mol-1 F = 96,485.31 C mol-1 를 Faraday constant라 함. 전류(electric current) = 단위시간당 회로를 통해 흐른 전하량, Ampere(A) I = Q / t Q = It 전자의 몰수 = Q / F 아연-은 갈바니전지 Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- Ag+(aq) + e- Ag(s) 전자 1몰 Zn(s) 0.5 mol 산화 = 65.38/2 = 32.69 g Zn Ag(s) 1 mol 환원 = 107.87 g Ag 예제 12.2 풀어볼 것 관련문제 6. CdSO4 용액에 담겨있는 카드뮴 환원전극과 ZnSO4 용액에 담겨있는 아연 산화전극으로 구성된 갈바니전지에서 두개의 반쪽전지들이 염다리로 연결되었다. (a) 전지반응에 대한 균형 반응식을 써라. (b) 1.45 A 의 전류가 2.60 시간 동안 흘렀다. 이 시간동안 얼마나 많은 전하가 회로를 통하여 흘러갔는가? 이 전하는 몇 몰의 전자와 같은가? (c) 아연 전극의 질량변화를 계산하라. (d) 카드뮴 전극의 질량변화를 계산하라.

5

12.2 깁스 자유에너지와 전지전압 7장과 8장: 기체의 팽창과 수축에 관련된 PV(pressure-volume) 일 전기화학: 전기적 일(electrical work) 전하량 Q가 전위차 ε∆ 인 곳 통과 w Q Itε ε= − ∆ = − ∆전기

J = C*(J/C), J/C = V

계가 일을 하면 w < 0, 갈바니전지 ε∆ > 0 계가 일을 받으면 w > 0, 전해전지 ε∆ < 0 예제 12.3. 6.00V 배터리로 1.50 시간 동안 1.25A의 일정한 전류를 보낸다. 회로를 통해 흐른 쿨롱 단위의 전체 전하량 Q와 배터리가 행한 전기적 일을 계산하라. 열역학 G H TS E PV TS= − = + −

G E P V T S∆ = ∆ + ∆ − ∆ (왜냐하면 일정한 온도와 압력이므로) 열역학 제 1 법칙 E q w q w P V∆ = + = + − ∆

전기

따라서 G E P V T S q w P V P V T S q w T S∆ = ∆ + ∆ − ∆ = + − ∆ + ∆ − ∆ = + − ∆전기 전기

갈바니전지의 가역조건을 이용하면 q q T S= = ∆가역

이므로 ,G w∆ =전기가역

만약 가역 조건이 아니라면 전기적 일은 더 적게 일어 난다. 따라서 | |w G− = ∆

전기,최대 (일정한 온도와 압력에서)

만약 가역으로 작동하는 갈바니전지의 외부회로를 통해 n몰의 전자(즉 nF 쿨롱의 전하)가 흐르고, ε∆ 가 가역 전지전압이라면,

G w Q nFε ε∆ = = − ∆ = − ∆전기

표준상태와 전지전압 7장, 9장 물질의 표준상태: 1기압, 지정온도 용질의 표준상태: 1M

oG∆ : 표준자유에너지변화-모든 반응물과 생성물이 표준상태에 있는 반응에 대한 표준 생성자유에너지 변화(부록 D참조)로부터 계산가능

o oG nF ε∆ = − ∆ 여기서 oε∆ 는 표준상태에 있는 반응물과 생성물로 이루어진 갈바니전지의 전지전압(전위차)으로 전지의 고유한 전기적 성질-표준전지전압(standard cell voltage)

6

예제 12.4 풀어볼 것 관련문제 12. Zn | Zn2+ || Co2+ | Co 갈바니전지의 표준 전지전압은 0.48V이다. 만약 모든 농도들이 반응과정을 통해서 표준 값인 1M을 유지한다면, 산화전극에서 소모된 아연 1g당 25°C에서의 자유에너지 변화를 계산하라. 이 실험 동안 전지가 주위에 행한 최대 전기적 일은 얼마인가? 반쪽전지전압(Half-Cell Voltages) 반쪽전지전압 oε 의 도표화 임의의 조합으로 어떤 전지에 대해서도 oε∆ 를 구할 수 있다. Zn | Zn2+ 와 Cu2+ | Cu 의 두 반쪽전지로 구성된 표준전지의 경우, 각각의 반쪽전지반응을 환원반응으로 나타내면, Zn2+(aq) + 2e- Zn(s) Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)

환원전위(reduction potential) oε (Zn2+|Zn) 와 oε (Cu2+|Cu) 를 비교하여 더 큰 양의 값을 가질수록 환원반응을 일으키려는 경향이 크다. 알짜전지전위(전압) = 반쪽전지 환원전지들 차이 = (더 큰 양의 값을 가지는 환원전위) – (더 큰 음의 값을 가지는 환원전위)

2 2( ) ( ) ( | ) ( | ) 1.10o o o o oCu Cu Zn Zn Vε ε ε ε ε+ +∆ = − = − =환원전극 산화전극

여기서 중요한 것은 ( )oε 산화전극 이 산화가 일어나는 쪽의 “환원전위”라는 것!

7

기준 oε (H3O+(1M) | H2) = 0 으로 정의한다. 즉,

2 H3O+(aq) + 2e- H2(g) + 2 H2O(l) oε = 0 V (정의) 이 때, H2(g)의 압력은 1기압, H3O+(aq)의 농도는 1M 모든 다른 반쪽전지전위들은 갈바니전지에서 그들의 표준반쪽전지를 기준 H3O+(1M) | H2 반쪽전지와 연결한 후 전지전압을 측정하여 결정함. Cu2+(1M)|Cu 반쪽전지를 H3O+(1M) | H2 반쪽전지와 연결하면 구리가 석출됨 즉, 구리가 있는 쪽이 환원전극이 되고 수소가 있는 쪽이 산화전극이 됨.

2 23 2( ) ( ) ( | ) ( | ) ( | ) 0 0.34o o o o o oCu Cu H O H Cu Cu Vε ε ε ε ε ε+ + +∆ = − = − = − =환원전극 산화전극

따라서, Cu2+(1M) + 2e- Cu(s) oε = 0.34 V Zn2+(1M)|Zn 반쪽전지를 H3O+(1M) | H2 반쪽전지와 연결하면 아연이 이온화 되며 용해됨 즉, 아연이 있는 쪽이 산화전극이 되고 수소가 있는 쪽이 환원전극이 됨.

2 23 2( ) ( ) ( | ) ( | ) 0 ( | ) 0.76o o o o o oH O H Zn Zn Zn Zn Vε ε ε ε ε ε+ + +∆ = − = − = − =환원전극 산화전극

따라서, Zn2+(1M) + 2e- Zn(s) oε = -0.76 V 만약, Zn2+(1M)|Zn 반쪽전지와 Cu2+(1M)|Cu 반쪽전지를 연결하면, 아연이 이온화 되며 녹고 구리는 석출된다.

2 2

( ) ( )( | ) ( | )

0.34 ( 0.76 ) 1.10

o o o

o oCu Cu Zn ZnV V V

ε ε εε ε+ +

∆ = −

= −= − − =

환원전극 산화전극

예제 12.5 (예제 12.7, 12.8과 연계) 관련문제 14. Pt|Fe2+,Fe3+ 반쪽전지가 Cd2+|Cd 반쪽전지에 연결된 갈바니전지에서 (a) 부록 E를 참조하여 산화전극과 환원전극에서 일어나는 반쪽반응 및 전체 전지반응에 대한 균형 화학반응식을 써라. (b) 모든 반응물들과 생성물들이 그들의 표준상태에 있다면 전지전압은 얼마인가 계산하라.

8

강한 산화제(oxidizing agent)는 그 자신이 쉽게 환원되는 화학종: 큰 양의 환원전위값을 가지며 부록 E의 왼쪽 상단에 위치, O2나 O3가 그 예. 강한 환원제(reducing agent)는 그 자신이 쉽게 산화되는 화학종: 큰 음의 환원전위값을 가지며 부록 E의 오른쪽 아래에 위치. 반쪽전지반응을 더하고 뺄 때 주의해야 할 점 두 개의 반쪽전지들을 연결시켜서 만든 갈바니전지의 전지전위를 구하는 경우, 전체 균형 화학반응식에 나타난 계수를 각 반쪽전지전위에 곱해주지 않는다! 왜냐하면 전위차는 크기성질이 아니라 세기성질이기 때문이다. Cu2+(1M) + 2e- Cu(s) 0 0 2

1 ( | ) 0.340Cu Cu Vε ε += =

Cu+(1M) + e- Cu(s) 0 02 ( | ) 0.522Cu Cu Vε ε += =

위의 두 반응에 대한 정보가 주어진 경우 다음과 같은 반응의 표준반쪽전지전위를 알고자 하는 경우, Cu2+(1M) + e- Cu+(aq)

0 0 2 0 03 1 2( | ) 0.182Cu Cu Vε ε ε ε+ += ≠ − = −

대신에 크기성질인 0 0G n Fε∆ = −반쪽 반쪽 를 이용한다.

0 0 0 0 0 03 1 2 1 1 2 2 3 3G G G n F n F n Fε ε ε∆ = ∆ −∆ = − + = −

따라서, 0 0

0 1 1 2 23

3

n F n Fn

ε εε −=

0 0 23

(2 )(0.340 ) (1 )(0.522 )( | ) 0.1581

mol V mol VCu Cu Vmol

ε ε + + −= = =

9

환원전위도식과 불균등화 반응 구리의 반쪽반응들의 환원전위 도식 Cu2+의 경우에 있어서의 불균등화 반응 2Cu+ Cu2+ + Cu(s) 0 0.522 0.158 0.364 Vε∆ = − =

0ε∆ > 0, 0G∆ < 0 이기 때문에 반응은 자발적으로 일어남. 예제 12.6 – 풀어볼 것 관련문제 24. 25°C 수용액에서 다음과 같은 표준 환원전위가 측정되었다. Tl3+ + e- Tl2+ 0ε =-0.37 V Tl3+ + 2e- Tl+ 0ε =1.25 V (a) Tl2+ + e- Tl+ 반쪽반응의 반쪽전지전위를 계산하라. (b) Tl2+가 수용액에서 다음과 같은 불균등화 반응을 일으키겠는가? 2Tl2+(aq) Tl3+(aq) + Tl+(aq)

10

12.3 농도의 영향과 네른스트 식 전기화학전지를 실생활에서 이용할 때, 농도와 압력을 표준상태로 맞추는 것은 쉽지 않다! 9장에서, 0 lnG G RT Q∆ = ∆ +

G w Q nFε ε∆ = = − ∆ = − ∆전기

0 0G nF ε∆ = − ∆

따라서, 0 lnnF nF RT Qε ε− ∆ = − ∆ + 네른스트 식(Nernst Equation)

0 lnRT QnF

ε ε∆ = ∆ −

10ln log 2.303logeQ Q Q= ≈ 25°C에서

0 0

1 10

101

0 010

ln 2.303

(8.315 )(298.15 )(2.303) log96485

0.0592 log (25

RT RTQnF nF

JK mol K Qn Cmol

Q Cn

ε ε ε

ε

ε

− −

−

∆ = ∆ − = ∆ −

= ∆ −×

= ∆ − 에서)

예제 12.7 – 풀어볼 것 관련문제 28. 다음과 같은 반응을 일으키는 갈바니전지에서 2Ag(s) + Cl2(g) 2Ag+(aq) + 2Cl-(aq) 만약 Cl2(s)의 분압이 1.00기압이고 Ag+(aq)와 Cl-(aq)의 초기농도가 각각 0.25M과 0.016M이라면 25°C에서 전지의 초기전압은 얼마인지 계산하라.

11

평형상수의 측정 전기화학을 이용하면 많은 액체 상태의 반응에 대한 평형상수를 쉽고 정확하게 구할 수 있다.

0 0G nF ε∆ = − ∆ 또한 8장으로부터 0 lnG RT K∆ = − 따라서 0lnRT K nF ε= ∆

0ln nFKRT

ε= ∆

010log

0.0592nK

Vε= ∆ (25°C에서)

예제 12.5 (예제 12.7, 12.8과 연계) 과망간산포타슘(KMnO4)의 수용액은 진한 보라색을 갖는다. 산성 수용액에서 과망간산 이온은 환원되어 연한 핑크색의 망가니즈(II) 이온(Mn2+)이 된다. 표준상태에서

MnO4-|Mn2+ 반쪽전지의 환원전위 oε 는 1.49 V이다. 이 반쪽전지가 [Zn2+] = [MnO4

-] = [Mn2+] = [H3O+] = 1M의 조건에서 Zn2+|Zn 반쪽전지와 연결될 때, (a) 산화전극과 환원전극에서 일어나는 반응에 대한 반응식을 써라. (b) 전체 전지반응에 대한 균형 반

응식을 써라. (c) 표준 전지전위차 oε∆ 를 계산하라.

예제 12.7 (예제 12.5, 12.8과 연계) 예제 12.5와 같은 Zn2+ | Zn || MnO4

-| Mn2+ 전지가 pH 2.00, [MnO4-] =0.12M, [Mn2+] =

0.0010M, [Zn2+] = 0.015M인 상태에서 작동한다고 할 때, 25°C에서의 전지전압 ε∆ 를 계산하라. 예제 12.8 (예제 12.5, 12.7과 연계) 예제 12.5에서 계산된 전지전압을 이용하여 25°C에서의 평형상수를 구하라.

12

예제 12.9 – 풀어볼 것 관련문제 42. 전체 반응이 다음과 같은 갈바니전지를 만든다. Pb(s) + 2H3O+(aq) Pb2+(aq) + H2(g) + 2H2O(l) (a) 이 전지의 0ε∆ 를 계산하라. (b) PbCl2가 산화전극에서 침전되고 [Cl-]가 0.15 M에 도달할 때까지 염화이온을 첨가시킨다. 이 때에 pH=0,

2HP =1.0 기압인 상태의 전지전압은 0.22 V로 측정된다. 이

조건에서의 [Pb2+]를 계산하라. (c) PbCl2의 용해도곱상수 Ksp를 계산하라.

13

pH 미터 갈바니전지의 한 쪽 전극이 pH가 변하는 용액에 담겨있는 Pt|H2 전극일 경우, 갈바니전지의 전압은 pH에 따라 변한다. 가장 간단한 전지는, Pt | H2(1기압) | H3O+(가변) || H3O+(1M) | H2(1기압) | Pt 반쪽전지반응을 쓰면, H2(1기압) + 2 H2O(l) 2 H3O+(가변) + 2 e- (산화전극) 2 H3O+(1M) + 2 e- H2(1기압) + 2 H2O(l) (환원전극) 다른 농도와 기체의 압력이 1 이므로 3[ ( )Q H O+= 2가변 ] 이 되고, n=2 이므로, 네른스트 식에서,

0 210 10 3

10 3

0.0592 0.0592log 0 log [ ]2

0.0592 log [ ] (0.0592 )

V VQ H On

V H O V pH

ε ε +

+

∆ = ∆ − = −

= − =

즉, 측정된 전압은 pH에 비례함. 이 간단한 전지는 H2 기체가 필요하므로 불편하다. 따라서 상업용 pH 미터는 수소 반쪽전지 대신에 보다 더 휴대하기 쉽고 소형화된 전극으로 대체. 전형적인 상업용 pH 미터에서는 두 전극을 측정하고자 하는 미지의 pH 용액에 담그는데, 두 전극 중 하나는 유리전극(glass electrode)이며, 보통 얇은 유리구 속에 AgCl로 입혀진 은전극이 농도가 알려진(예를 들면, 1M) HCl 용액과 접촉하고 있다. 유리전극을 농도가 다른 미지의 [H3O+] 용액에 담그면 유리전극의 얇은 유리막 사이로 pH에 따라 전위의 변화가 생김. 다른 반쪽전지로는 보통 포화칼로멜전극(saturated calomel electrode)을 쓰는데, 이것은 액체 수은과 칼로멜(Hg2Cl2(s))의 반죽에 전기적으로 접촉되어 있는 백금선과 KCl 포화용액으로 되어 있다.

Ag | AgCl | Cl- + H3O+(1.0M) | 유리 | H3O+(가변) || Cl-(포화) | Hg2Cl2(s) | Hg | Pt

14

반쪽반응들은, 2 Ag(s) + 2 Cl-(1.0 M) 2 AgCl(s) + 2 e- (산화전극) H3O+(1.0M) H3O+(가변) Hg2Cl2(s) + 2 e- 2 Hg(l) + 2 Cl-(포화) (환원전극) 첫째와 세번째는 전체 전지에 일정하게 기여하고 두 반쪽전지전위를 고려하여

( )ε∆ 기준 이라고 한다. 두번째 반응은 전지에서 전위차가 ( )ε∆ 기준 으로부터 변하

는 원인이 되는데, 이것은 H3O+ 가 1.0M로부터 미지의 가변 농도로 묽어지는데 필요한 자유에너지에 해당하며, 그 전위는 유리전극의 얇은 유리막 양면 사이에 걸린다. 따라서,

310

[ ( )]0.0592( ) log1

( )+(0.0592 ) pH

H OV

V

ε ε

ε

+

∆ = ∆ −

= ∆

가변기준

1.00

기준

미지 용액의 ( )pH=

0.0592 Vε ε∆ − ∆ 기준

이온선택성 전극(ion-selective electrode): H3O+ 가 아닌 다른 이온의 농도에 대해서 감응하는 다른 형태의 전극들.

12.4 배터리와 연료전지 단일전지: a single cell 볼타전지(voltaic pile): 전지들의 배터리(battery of cells), 즉 여러 단일전지들을 겹침. 일반적으로 배터리는 단일전지와 볼타전지 둘 다 포함.

일차전지(primary cells): 소모되면 버려야 하는 일회성 전지 이차전지(secondary cells): 재충전 가능 전지

르클랑세 전지(Leclanche cell): 가장 흔한 일차 전지, 아연-탄소 건전지, 1.5V Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e- (산화전극) 2 MnO2(s) + 2 NH4

+(aq) + 2 e- Mn2O3(s) + 2 NH3(aq) + H2O(l) (환원전극) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Zn(s) + 2 MnO2(s) + 2 NH4

+(aq) Zn2+(aq) + Mn2O3(s) + 2 NH3(aq) + H2O(l)

15

알칼리 건전지(alkaline dry cell): 르클랑세 전지의 단점은 시간이 지나면 농도 변화로 인해 배터리의 전압이 떨어짐. 이것을 보완하여 염화 암모늄을 수산화 포타슘으로 대치

Zn(s) + 2 OH-(aq) Zn(OH)2(s) + 2 e- (산화전극) 2 MnO2(s) + H2O(l) + 2 e- Mn2O3(s) + 2 OH-(aq) (환원전극) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Zn(s) + 2 MnO2(s) + H2O(l) Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s)

전체 반응식에서 보듯이 용해된 화학종이 없어 시간에 따른 농도 변화가 크지 않아 전압이 오랫동안 일정하게 유지됨.

아연-산화 수은전지(zinc-mercuric oxide cell): 각자 알아서 정리할 것

16

재충전 배터리 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium cell 또는 nicad battery) 납-산 축전지 (lead-acid storage battery) 알칼리금속-황 배터리

각자 알아서 읽어보고 정리

17

연료전지(fuel cell) 지금까지의 배터리는 전기화학반응에 의해 전기에너지 공급하는 닫힌계 연료전지는 열린계: 반응물(연료)가 공급되고 생성물은 계속 제거, 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 전환기

예를 들어 다음의 반응을 이용한 연료전지는 아폴로 우주선의 전원장치로 사용됨. 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l)

25°C, 1M 농도, 1 기압에서 표준환원전위는

02 2

02

( | ) 0.828

( | ) 0.401

H H O V

O OH V

ε

ε −

= −

=

0 0 0 0 02 2 2( ) ( ) ( | ) ( | )

0.401 ( 0.828 ) 1.229O OH H H O

V V Vε ε ε ε ε−∆ = − = −

= − − =환원전극 환원전극

OH-가 전체 전지 반응식에 나타나지 않으므로 전체 전지전압은 pH에 의존하지 않음. 다른 실용적인 연료전지의 전체 반응 CO(g) + ½O2(g) CO2(g) 자세한 것은 각자 읽어보고 정리할 것

18

효율 전통적으로 발전소에서 사용하는 연소 기술에 의해 전기에너지를 생산하는 것보다 전기화학 연료전지는 효율이 더 높다. 연료전지: ( ) | |w G− = ∆

최대연료전지

전통적인 연소기술: 연료전지에서와 같은 양의 연료를 공기 중에서 태우면 생성되는 열량 Pq 는 연소엔탈피 H∆ 와 같고 ( Pq H= ∆ ), 그 열을 전기에너지로 바꾸기 위해 열기관 발전기를 가동시키는데 사용하게 된다. 이 과정에서의 효율은 열역학 법칙에 의해

( ) | | | | | | | |h l h lP

h h

T T T Tw q H G GT T

ε − −− = = ∆ ∆ < ∆

최대열기관

실제로 열엔진의 효율은 30-35% 넘기 힘든 반면 연료전지의 효율은 60-70% 까지 가능함. 12.5 부식과 부식방지 부식방지를 위해서는 부식의 메커니즘을 이해해야 함. 부식: 금속표면의 일부가 환원전극으로 작용하고 다른 부분이 산화전극으로 작용하는 회로가 단락된(short-circuted) 갈바니 전지로 이해 가능. 전기회로는 철 그 자체를 통해 흐르는 전자에 의해 완결됨. Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e- (산화전극) 2 H2O(l) + 2 e- 2 OH-(aq) + H2(g) (환원전극) --------------------------------------------------------------------- Fe(s) + 2 H2O(l) Fe2+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g) 이들 반응은 느리고 심각한 부식을 일으키지 않는다. 하지만 철이 산소와 물에 동시에 접촉할 경우,

19

부식방지방법 부동화(표면 안정화, passivation) 희생산화전극(sacrificial anode) 각자 읽어보고 정리 12.6 전기야금술 대부분의 금속은 광석상태에서 산소나 황 등 다른 원소와 결합되어 있음. 추출야금술(extractive metallurgy): 금속 원석으로부터 순수 금속을 얻는 과학 추출야금술에는 고열야금술(pyrometallurgy)와 전기야금술(electrometallurgy)가 있음.

20

표 12.1에서와 같이 대부분의 경우 0 0fG∆ < . 따라서 분리 위해서는 외부에서 에너

지를 넣어줄 필요가 있다. 고열야금술에서는 높은 온도에서 열을 가해 주고 또한 용융제련(smelting)이라 불리는 과정에서 탄소의 연소로부터 필요한 에너지를 얻는다. C(s) + O2(g) CO2(g) 0 1394G kJ mol−∆ = −

표의 위쪽에 있는 0fG∆ 가 큰 음의 값을 갖는 경우 용융제련 만으로 부족하여 전기

야금술이 필요하다. 전기야금술 알루미늄: 베이어법, 홀-에루법 마그네슘: 각자 알아서 읽어보고 정리할 것

21

전기제련 및 전기도금 고열야금술로 생산된 금속들의 순도가 너무 낮아 전기제련(electrorefining)을 통해 더 정제 시킴.

전기도금: 전기분해 사용하여 금속 위에 얇은 다른 금속의 층을 입히는 공정 예제 12.10 – 풀어볼 것 관련문제 62. 은 숟가락의 전기도금에서 숟가락은 환원전극으로 순수 은 조각은 산화전극으로 작용한다. 이 둘을 AgCN 용액 속에 담근다. 1.5 A의 전류가 22분 동안 전지를 통과하고 숟가락의 표면적이 16 cm2 라고 가정하자. 은의 밀도를 10.5 g cm-3 로 하여 숟가락에 입혀진 은층의 평균 두께를 계산하라.