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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