갈바니 전지와 전기 분해 시뮬레이터
이 시뮬레이션의 방정식
| E° | 표준 전극 전위 | 1 mol/L, 25 °C에서 수소를 기준으로 잰 값. E°가 낮은 금속이 전자를 내주며 산화 전극이 된다 | |
|---|---|---|---|
| E°cell | 표준 전지 전위 | 두 용액이 모두 1 mol/L일 때의 전압. 양수면 전지가 저절로 작동한다 |
현재 값을 넣으면:
| n | 이동하는 전자 수 | 아연과 구리는 2 | |
|---|---|---|---|
| F | 패러데이 상수 | 전자 1몰당 96,485 C | |
| Q | 반응 지수 | [산화 전극의 이온] ÷ [환원 전극의 이온], 각각 n에서 자기 몫을 지수로 한 것. 전지가 작동하면 Q가 오르고 E가 내려가 결국 전지가 다 된다 | |
| E | 지금 전지 전위 | 전류를 흘리지 않을 때 전압계가 읽는 값 |
현재 값을 넣으면:
| ΔG | 전지 반응의 깁스 에너지 | 저절로 작동하는 전지에서는 음수. 다니엘 전지는 −212 kJ/mol |
|---|
현재 값을 넣으면:
| I | 전류 | r = 5 Ω은 전지의 내부 저항 | |
|---|---|---|---|
| 몰수 | 녹거나 석출된 금속 | 패러데이 법칙: 2가 이온 1몰에는 전자 2몰이 필요하다 |
현재 값을 넣으면:
| Q | 흐른 전하 | I × t. 전원은 적어도 1.23 V에, 반응을 밀어 주려면 약 0.6 V를 더 줘야 한다 | |
|---|---|---|---|
| V | 각 기체의 부피 | 25 °C, 1 atm에서 1몰당 24.5 L. 수소가 산소의 두 배 |
현재 값을 넣으면:
갈바니 전지와 전기 분해 시뮬레이터 사용법
- 갈바니 전지에서는 양쪽에 금속을 하나씩 고릅니다. 각 금속은 자기 이온의 용액에 담겨 있고, 도선과 염다리로 이어져 있습니다. 표준 전위가 낮은 금속이 산화 전극입니다. 녹으면서 전자를 내놓고, 그 전자는 도선을 따라 다른 전극으로 가서 금속 이온이 받아 석출됩니다. 계기는 전지 전위를 보여 줍니다.
- 농도를 바꾸면 네른스트 식으로 전압이 이동하는 것을 볼 수 있고, 부하 저항을 낮추면 더 큰 전류가 흐릅니다. 전지를 작동시키면 산화 전극은 가늘어지고 환원 전극은 두꺼워지며, 구리라면 파란 용액이 옅어지고 전압은 천천히 떨어집니다. 그래프가 이를 따라갑니다. 네른스트 식 계산기로 어떤 농도에서든 반쪽 전지의 전위를 구할 수 있습니다.
- 물의 전기 분해로 바꾸고 전원 전압을 정합니다. 약 1.8 V를 넘으면 전류가 물을 분해하여 음극 위에는 수소, 양극 위에는 산소가 모입니다. 패러데이 법칙이 흐른 전하로 예측하는 대로 수소가 두 배입니다.
자주 묻는 질문
갈바니 전지는 어떻게 전기를 만드나요?
두 금속은 전자를 붙잡는 세기가 다르며, 이를 표준 전극 전위로 나타냅니다. 아연 (−0.76 V)은 구리 (+0.34 V)보다 전자를 쉽게 내놓으므로, 다니엘 전지에서는 아연 원자가 Zn²⁺로 녹고, 전자가 도선을 흐르고, Cu²⁺ 이온이 구리 전극에서 그 전자를 받습니다. 염다리는 비커 사이로 이온을 옮겨 두 용액을 중성으로 유지하며, 염다리가 없으면 전류가 곧 멈춥니다.
전지 전위는 어떻게 계산하나요?
두 용액이 모두 1 mol/L일 때 E°전지 = E°환원 전극 − E°산화 전극이며, 아연과 구리는 0.34 − (−0.76) = 1.10 V입니다. 다른 농도에서는 네른스트 식으로 보정합니다: E = E° − (RT ÷ nF) ln Q, Q = [Zn²⁺] ÷ [Cu²⁺]. 아연 이온이 구리 이온의 열 배면 전압이 약 30 mV 낮아집니다.
전기 분해의 패러데이 법칙이란 무엇인가요?
전극에서 생기거나 쓰이는 물질의 양은 흐른 전하에 비례합니다: 몰수 = Q ÷ (zF), Q = I × t, z는 이온 하나당 전자 수, F = 96,485 C/mol. 물을 분해하려면 수소 분자 하나에 전자 2개, 산소 분자 하나에 전자 4개가 필요하므로, 수소가 정확히 두 배 모입니다.
물의 전기 분해에는 왜 1.23 V보다 큰 전압이 필요한가요?
1.23 V는 열역학적 최솟값으로, 반응을 거꾸로 돌릴 때의 전지 전위입니다. 실제로는 전극 반응에 과전압이라는 추가 힘이 필요하고 용액에도 저항이 있어서, 실제 전지는 1.8~2.5 V에서 작동합니다. 순수한 물은 전기가 거의 통하지 않으므로 황산 나트륨 같은 전해질을 넣는데, 전해질은 소모되지 않고 전류를 나릅니다.
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