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전기화학-배터리 배터리배터리는 부식반응을 응용한 것이다. 용도에 맞게 다양한 물질로 배터리를 만들 수 있으며, 배터리를 이용하여 갈바닉전지의 전기적 일을 이용할 수 있다. 배터리는 1차와 2차로 분류된다. 1차 전지는 알칼리전지로, 화학반응이 끝나면 사용할 수가 없다. 배터리의 수명이 반응물의 양에 달려있기 때문이다. 따라서 크기가 큰 D-전지는 AA-전지보다 수명이 길다. 배터리는 수명이 다 되면 출력되는 전압이 낮아지고, 결국은 반응물이 소모되면서 전지의 수명은 끝난다. 2차 전지는 충전하여 재사용할 수 있다. 충전가능한 배터리를 만들기 위해서는, 산화환원의 역반응이 가능해야 한다. 전지의 반응은 발열반응이기 때문에 에너지 공급이 가능하다. 역반응은 흡열반응이다. 역반응을 일으키기 위해서는 외부에너지가 필요하다. 이.. 2024. 8. 24.
전기화학-전지전위 전지전위전지전위의 측정갈바닉전지의 전극을 전압계에 연결하여, 전압의 크기를 측정할 수 있다. 이는 음극과 양극 간의 위치차 즉, 극성을 뜻한다. 구리와 은을 예로 들어보자. 전지의 전위는 0.462V이다. 구리 반쪽전지를 Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ) 반쪽전지에 연결하였을 때, 측정한 전위는 0.434V이다. 철 전극을 은 전극에 연결하면, 0.028V의 전위가 측정된다. 이유는 다음과 같다. 첫째, 전지전위는 상태함수이다. 둘째, 표준전극을 이용하여 전지전위를 측정할 수 있다. 백금선은 전자를 전도하는 물체이다. 백금전극에서 1 atm의 수소 기체가 발생하며, 전해질 용액은 1M HCl(aq)이다. 반반응은2H+(aq) + 2e- → H2(g)반쪽전지를 전지표기법으로 나타내면Pt(s) │H2(g, 1atm) │.. 2024. 8. 22.
전기화학-산화환원반응과 갈바닉전지 산화환원반응과 갈바닉전지철이 공기에 노출되었을 때, 대부분의 경우 녹이 슨다. 사막에서도 마찬가지일까? 그렇지 않다. 특정 환경에 의해 철과 산소의 반응이 촉진됨에 틀림없다. 쉽게 관찰되는 반응들을 이용하여 전기화학에 대해 알아보도록 한다. 산화환원과 반반응산화환원반응은 전자가 이동하는 반응이다. 산화는 화학종이 전자를 잃어버리는 것이며, 환원은 전자를 얻는 것이다. 전하와 질량은 보존되기 때문에, 산화과정에서 잃은 전자는 다른 종의 환원에 사용된다. 즉 산화와 환원은 동시에 일어난다. 질산은 용액은 무색의 맑은 액체이다. 구리선을 넣으면 잠시 후, 구리선에 기포가 보이고, 무색의 용액은 밝은 청색이 된다. 시간이 지날수록 현상은 더욱 두드러진다. 마지막 사진에서, 구리선에 금속의 은이 쌓여 있는 것이 .. 2024. 8. 21.
화학평형-산과 염기 산과 염기수용액에서 산으로 작용하는 여러가지 화합물을 앞에서 소개하였다. 강산은 용액에서 완전히 해리하며, 약산은 부분적으로 해리한다. 약한 전해질은 부분적으로 해리하여 평형에 도달하기 때문에, 평형상수를 사용하여 약산과 약염기의 상대적 세기를 나타낼 수 있다. 흔히 사용되는 것으로 pH 범위가 있다. 브뢴스테드-로우리 산염기 이론수용액 중에서 해리하여, 수소 이온(H+)을 내놓는 물질을 산이라 하며, 염기는 수산화 이온(OH-)을 내놓는 물질이다. 이것은 Arrhenius 산염기 정의로, 비수용성 용액으로도 이 정의를 확장할 필요가 있었다. 1923년 Bronsted와 Lowry에 의해 새로운 산염기 정의가 발표되었다. 브뢴스테드-로우리 정의에 의하면, 산은 양성자 주개(donor)이고, 염기는 양성자.. 2024. 8. 20.
화학평형 2 LeChatelier 원리어떤 생성물을 만들 때 평형상수를 보고 반응을 선택하지만, 생각만큼 간단치 않다. 예로, H₂, N₂, NH₃의 평형상수는 그 값이 크지 않아 암모니아 형성이 그리 유리해 보이진 않는다. 그럼에도 불구하고 암모니아는 중요한 물질이기 때문에 상업적으로 제조되고 있다. 반응을 조절할 수 있는 변수는 무엇이며, 이들 변수가 평형에 미치는 영향은 무엇인가? LeChatelier 원리는 다음과 같이 요약된다. 평형상태의 계는 변화에 대응한다. 평형상태의 계에 스트레스가 가해지면, 스트레스를 최소화하는 방향으로 평형이 재배열된다. 화학평형에서의 스트레스는 주로 세 가지이다: 농도변화, 압력변화, 온도변화. 반응물 또는 생성물 농도의 변화가 평형에 미치는 영향화학적 평형상태에 이르면 화학종들.. 2024. 8. 19.
화학평형 화학평형정반응과 역반응테이블 위에 물 한 컵이 있다. 밤새 방치하면 물은 증발하여 양이 줄어든다. 컵의 입구를 막고 같은 실험을 반복하면 물은 컵 안에 그대로 남는다. 닫힌계(입구를 막은 컵)에서는, 물과 수증기 사이에 동적평형(dynamic equilibrium)이 이루어진다. 평형상태에서는, 물 분자가 액체표면을 떠나는 속도와 액체표면으로 되돌아가는 속도가 같다. 증발속도는 액체분자의 에너지 분포로 결정된다. 충분한 운동에너지를 가진 분자들은 액체의 분자 간 인력을 극복하고 증기상으로 탈출한다. 따라서 물의 온도가 일정하면, 증발속도는 일정할 것이다. 응결속도는 어떨까? 기체상의 분자들은 액체표면과 부딪힐 때마다 액체상으로 돌아가 기회를 갖는다. 기체분자가 액체표면과 부딪히는 속도는 기체분자수 또는 .. 2024. 8. 18.
화학반응속도론 3 온도와 속도식품보관을 위해 냉동과 냉장이 중요한데, 온도를 낮추면 위험한 미생물의 성장을 포함하여 여러 화학반응의 속도가 느려진다. 예로, 우유를 실온과 냉장고에 각각 보관하였을 때, 우유에 신냄새가 나는데 걸리는 시간은 분명하게 판단된다: 실온의 우유는 더 빠르게 상한다. 왜 온도는 반응속도에 영향을 미치며, 이 영향을 어떻게 정량화할 수 있을까? 반응분자에 온도가 미치는 영향분자운동론과 같은 분자운동모델을 이용하여 속도에 미치는 온도의 역할을 연구할 수 있다. 기체상의 두 분자 사이에 화학반응이 일어났다고 가정하자. 분자운동론에 의하면, 분자는 단지 충돌을 통해서만 서로 반응한다고 한다. 따라서 두 분자가 반응하기 위해서는 먼저 충동해야 한다. 하지만 분자가 충동한다고 모두 화학반응을 일으킬 거라고 .. 2024. 8. 16.
화학반응속도론 2 – 반감기 적분반응속도식반응물의 농도는 시간에 따라 변하기 때문에, 반응이 좀 진행된 후에는 반응속도식으로 농도를 예측하기 쉽지 않다. 때문에, 농도를 시간함수로 표현한 방정식이 필요하다. 새로운 방정식을 적분반응속도식(intrgrated rate law)이라 하며, 반응속도식에서 유도된다. 적분반응속도식이 합리적인 이유는 다음과 같다: 어떤 특정 시간에 반응계의 모든 농도를 알고, 반응속도가 시간에 따라 어떻게 변화하는지 안다면, 조금 후의 농도도 예측할 수 있다. 적분반응속도식은 반응차수에 의존한다. 몇 가지 반응차수를 갖는 일반적인 적분반응속도식을 안다면, 자료를 모델과 비교하여 반응속도식을 결정할 수 있다. Math Connections적분반응속도식은 반응속도식을 적분하였기 때문에 붙여진 이름이다.우선, 가.. 2024. 8. 15.
화학반응속도론 화학반응의 속도어떤 물질이 소비되는 것보다 생성되는 것이 더 빠를 때, 이 물질은 축적될 것이다. 이 내용을 정량적으로 논하기 위해, 화학반응속도론(chemical kinetics)을 두 가지 측면에서 다룬다. 반응속도란? 그리고 반응속도를 어떻게 측정하는가? 반응속도우리가 집으로부터 58 km 이동하는데 걸릴 시간이 1시간 일 때, 평균 속력은 58 km/hr이다. 평균 속력은 (이동에 소요된 시간)에 대한 (이동한 거리)이다. 이동거리의 범위는 0 km에서 58 km이며, 이동거리의 변화는 △d로 표시한다. 시간 t의 범위는 0 hr에서 1hr이며, 경과시간은 △t로 표시한다. 그렇다면, 평균 속력을 화학반응속도론으로 어떻게 풀어낼까? 화학반응속도는 반응시간에 대한 반응진행정도이다. 우리는 이동거리 .. 2024. 8. 14.
엔트로피와 열역학 제2법칙 자발성가솔린 등의 탄화수소 분자는 산소와 쉽게 반응하여 이산화탄소와 물을 생성한다. 하지만 역반응은 일어나지 않는다; 수증기와 이산화탄소는 공기 중에 늘 존재하지만, 서로 반응하여 가솔린을 만들진 않는다. 우리는 이 반응의 방향을 자연스럽게 알고 있다. 무엇이 이런 방향을 제시하는가? 그럼, 화학반응이 실제 일어날지를 예측할 수 있는 양적모델을 어떻게 만들 수 있을까? 자발적 과정일반적으로 우리는 자연의 방향성을 직감으로 알고 있으며, 어떤 일이 “그냥 발생하지”라고 생각한다. 외부의 어떤 개입이 없이도 과정이 진행되는데, 이것을 자발적 과정이라 한다. 하지만 자발적과 비자발적 반응의 차이가 늘 분명하지는 않다. “자발성”을 과정이 빠른 것으로 잘못 이해하지도 한다. 자발적 과정 몇 가지는 매우 빠르나,.. 2024. 8. 13.
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