chem handout 6

chem handout 6 - Chap 11. 산화-환원 반응(Redox...

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Unformatted text preview: Chap 11. 산화-환원 반응(Redox reaction)과 전기화학 1. 산화-환원 반응 화학반응시 전자가 전달되는 반응이다. 전자를 잃어버리는 반응을 산화(oxidation), 전자를 얻는 반응을 환원(reduction)이라 한다. 전자전달을 용이하게 판단하기 위해 산화수 (oxidation number)를 도입한다. 산화하는 화학종을 환원제라 하며 환원하는 화학종을 산화 제라 한다. 산화수 규칙 ①중성 분자나 화합물의 전체 산화수는 0이다. ②이온의 전하는 그 이온의 산화수 이다. ③유리된 원소의 산화수는 0이다. ④화합물을 구성하는 원자의 산화수는 알칼리 금속(1족) +1, 알칼리 토금속(2족) +2, 수 소 +1, 산소 -2 그리고 할로젠(17족)은 -1이다. 단, 규칙성을 갖는 원자들이 함께 한 화합물 에 있는 경우에는 산화수 우선 순위에 의존한다. 알칼리 금속, 토금속, 불소 > 수소 > 산소 > 할로젠(불소는 제외) 참고) 산화수가 증가하는 반응을 산화, 산화수가 감소하는 반응을 환원이라 한다. 산화-환원 균형반응식 쓰기 ①골격반응식을 쓴다. ②반쪽반응식으로 나눈다. (산화반응, 환원반응) ③각 반쪽반응의 원자균형을 맞춘다.(단, 산소수는 물분자로 맞춘다.) ④산화수 균형을 맞춘다.(전하균형은 저절로 맞추어진다.) ⑤3의 단계에서 반응식은 산성용액에서 균형을 이루게 되므로 염기성 용액에서 균형식을 쓸 경우 수소이온(H+)의 수만큼 반응물과 생성물에 같은 양의 수산기이온(OH-)을 더한다. 연습) 1. I- + MnO4- -> IO3- + MnO2 2. Cr2O72- + Fe2+ -> Cr3+ + Fe3+ - 3. Cl2 + Cr(OH)3 -> Cl + CrO4 2- 참고) 불균등화 반응 : 한 화학종이 산화와 환원을 동시에 하는 반응 - - Cl2 -> 2Cl + ClO3 2 . 전기화학 1) 갈바니전지(Galvanic cell) 또는 볼타전지(Voltaic cell) 전극(electrode): metal electrode - 전극 자신이 산화-환원 반응에 직접 관여한다. 전극으로 사용한 금속의 이온을 포함하는 용액에 담근다. inert metal electrode - 전극은 산화-환원 반응에 참여하지 않으며 전자만 이동시킨다. 산화상태와 환원상태의 화학종을 동시에 포함하는 용액에 담근다. 왼쪽에 산화전극을 담근 용액과 오른쪽에 환원전극을 담근 용액을 회로를 통해 연결한다. -> 전자의 이동은 산화전극에서 환원전극으로 일어난다. 예) Zn-Cu2+ 전지 anode(양극) -> 산화전극 : Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e2+ - cathode(음극) -> 환원전극 : Cu (aq) + 2e -> Cu(s) 2) Line Diagram과 산화-환원 반응식 ①갈바니전지 모델을 line을 사용하여 간단히 표현할 수 있다. ║ ⃒ 염다리(salt-bridge) 화학종의 상이 구별될 때 ②염다리를 기준으로 왼쪽은 산화반응, 오른쪽은 환원반응의 화학종을 나열한다. ③전극은 가장 바깥쪽에 나타내고 전극이 담긴 용액은 안쪽에 나타낸다. 또는 염다리를 기준으로 왼쪽은 산화하는 방향으로 오른쪽은 환원하는 방향으로 화학종을 나열한다. 3) 표준환원전위(standard reduction potential) : Eo 표준상태(25℃, 기체는 1atm, 수용액은 1M)에서 수소전극의 전위(0.00V)를 기준으로 하여 지시전극(indicator electrode)의 전압을 측정한 후 환원반응으로 반쪽반응의 전위를 나타낸 것이다. 표준환원전위가 클수록 환원이 잘 일어나며 이 것은 상대적이므로 산화하는 화학종과 환 원하는 화학종은 구별하여 다룰 수 없다. 단, 산화수가 높은 화학종은 더 높은 산화상태를 가질 수 없으므로 산화제로 사용하며 산화수가 낮은 화학종은 더 낮은 산화상태를 가질 수 없기 때문에 환원제로 쓰인다. 산화수가 중간인 화학종은 산화제 또는 환원제로 사용될 수 있다. o o o 표준전압(E ) = Ered - Eox Eredo : 환원전극의 표준환원전위 Eoxo : 산화전극의 표준환원전위 또는, o o 표준전압(E ) = Eox o + Ered Eoxo : 산화반응의 전압 Eredo : 환원반응의 전압 4) 전압(E)과 자유에너지(ΔG) 자유에너지는 계가 주위에 할 수 있는 최대 전기적인 일과 같다. ΔG = -w w = QE (Q: 전하량) Q = nF (n: 전자의 몰수, F: Faraday 상수) w = nFE ΔG = -nFE 표준상태에서 ΔGo = -nFEo = - RTlnK (from ΔG = ΔGo + RTlnQ) o E = (RT/nF)lnK = (0.0257V/n)lnK = (0.0592V/n)logK 표준이 아닌 상태에서 ΔG = ΔGo + RTlnQ 이므로 -nFE = -nFEo + RTlnQ 양변 ÷ -nF E = Eo - (RT/nF)lnQ = Eo - (0.0592V/n)logQ -> Nernst 식 5) 전해전지(Electrolytic Cell) 비자발적인 산화-환원 반응을 전기 에너지를 사용하여 자발적으로 유도할 수 있다. 볼타전지와 마찬가지로 anode(양극) -> 산화전극 : 전자를 잃어버림 cathode(음극) -> 환원전극 : 전자를 얻음 예1) H2O -> 2H2 + O2 : 비자발적인 반응(직류전기에 의해 수소충전) 2H2 + O2(공기) -> H2O : 자발적인 반응 적용 -> 우주선의 연료전지 연료전지 자동차 연료전지 잠수함 예2) Ag+ + Cl- -> Ag + Cl : 비자발적인 반응 + - Cu + Cl -> Cu + Cl : 비자발적이 반응 적용 -> 선글라스-광에너지에 의해 자발적으로 유도 예3) 도금 : 금속이온을 환원시키는 것은 비자발적 반응이나 전기에너지를 이용하 여 자발적으로 유도할 수 있다. Faraday 법칙: 산화-환원반응에서 소모되거나 석출되는 물질의 양은 통해준 전기량(Q) 에 비례한다. Q = nF Q = it (i : 전류, t : 시간) 3+ - 예) Al (aq) + 3e -> Al(s) 문1) 전기량(전하량) Q를 통과 시켰을 때 석출되는 Al의 질량은? 문2) Al을 xg을 석출시키기 위한 전기량(Q)? 문3) 전류 i를 t시간 통과시킬 때 석출되는 Al의 질량은? 문4) Al을 xg을 석출시키기 위하여 전류 i를 통과시켰을 때 걸리는 시간은? 문5) Al을 xg을 석출시키기 위하여 t시간 동안 통과시킨 전류(i)는? ...
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