■ 교사용 실험 자료실 ■

실험 제목	다니엘전지			실험 원리	화학전지(다니엘 전지)의 이해
실험 시간	40분	실험 분야	화학	실험 방법	4인 1조, 4인용
세트구성물	시험관대, 시험관, 시계, 아연판, 구리판, 전선, 비닐튜브, 질산칼륨, 한천, 황산구리, 황산아연, 플라스틱비커, 스포이트, 주사기, 나무스틱, 종이컵
교사준비물	증류수(혹은 정수기물), 가열도구세트, 가열할 비커			학생준비물	가위
실험 결과	[다니엘전지로 작동되는 시계]를 학생 한 명당 하나씩 가지고 갑니다.
실험팁	TIP 1. 금속염 수용액을 만들 때 물의 양을 정확히 계량합니다. TIP 2. 염다리를 만들 때 비닐 호스 중간에 기포가 들어가지 않도록 주의합니다. 기포가 들어가면 주사기의 피스톤을 살짝 뒤로 잡아당기면 기포가 주사기로 들어갑니다. TIP 3. 염다리를 굳힌 후 살짝 수축하여 비닐 호스 양 끝에 채워지지 않았다면 호스 양 끝을 잘라내도록 합니다. TIP 3. 완성한 후 시계가 작동하지 않으면 비닐튜브 가운데를 손으로 몇 번 눌러보세요.

우리가 흔히 사용하는 전지에는 어떤 종류가 있는지 알아봅시다.

흔히 볼 수 있는 알칼리 전지, 시계에 들어가는 수은전지, 자동차에 쓰이는 납축전지, 핸드폰이나 노트북 배터리로 쓰는 리튬전지 등이 있습니다.

1. 전류는 (+) 극에서 (-) 극으로 흐르지만 실제로 이동하는 것은 ( - )전기를 띤 전자가  - 극에서

+ 극으로 이동하는 것입니다.

2. 다니엘전지에서 전자를 내어놓는 아연판은  - 극이 되고, 전자를 받는 구리판은  + 극이 됩니다.

3. 전지는 (화학에너지, 전기에너지)를 (화학에너지, 전기에너지)로 바꾸어 주는 에너지 변환장치입니다.

다니엘전지 [Daniell cell]

영국인 J.F.다니엘(1790∼1845)이 1836년 발명한 1차전지로 다른 효율적인 전지가 개발되기 이전에 전신용 전원으로 주로 사용되었다.

황산아연 용액 속에 넣은 아연을 음극, 황산구리 용액 속에 넣은 구리를 양극으로 하며 두 용액을 염류(鹽類) 용액으로 이어서 만든 전지이다. 전지로서의 구성은 다음과 같다.

(+)Cu|CuSO4||ZnSO4|Zn(-)   (|| : 염다리)

회로를 닫으면 양극에서 Cu2+＋2e-→Cu, 음극에서 Zn→Zn2+＋2e-(e-는 전자)의 반응이 일어나 전류가 흐르며, 기전력은 1.10 V 정도이다. 비교적 장시간 쓸 수 있고, 전압의 동요나 불쾌한 기체의 발생이 없으므로 이전에는 전신용 전원으로 많이 이용되었으나, 현재는 사용되지 않고 있다.

이 전지처럼 금속 M1, M2와 각각의 염 M1X1, M2X2를 M1 | M1X1 || M2X2 | M2형으로 배치한 전지를 다니엘형 전지라고 한다.

[출처] 다니엘전지 [Daniell cell ] | 네이버 백과사전

염다리 [鹽─, salt bridge]

전지에서 산화반응이 일어나는 반쪽전지와 환원반응이 일어나는 반쪽전지를 연결시키는 장치.

실험실에서는 흔히 한천을 녹인 따뜻한 수용액에 염화칼륨을 포화시키고, 이 용액을 U자관에 넣어 냉각시켜서 염다리를 만든다. 염다리를 만들 때에는 반쪽 전지의 전극 반응에 영향을 주지 않는 염을 사용해야 한다. 예를 들면, 황산아연 용액에 들어 있는 아연막대와 황산구리 용액에 들어 있는 구리막대를 도선으로 연결하고, 염다리로 두 용액을 연결하면 전지가 구성된다. 이때 염다리는 아연과 구리 이온을 분리시켜 놓음으로써 이들이 전자를 직접 주고받지 못하게 하며, 염다리를 통해 이온이 이동함으로써 두 용액 사이에 전류가 흐르게 된다.

다니엘전지는 분극 작용이 없기 때문에 재충전하여 다시 사용할 수 있는 2차 전지이다. 이 전지는 반드시 염다리로 연결해 주어야 한다. 염다리는 이온을 이동시켜 전지의 회로를 형성하며, 두 전극의 전해질을 분리한다.

[출처] 염다리 [鹽─, salt bridge ] | 네이버 백과사전

산화·환원 [酸化還元, oxidation-reduction]

산화란 산소와의 결합, 수소의 떨어져 나감, 산화수의 증가(전자의 수가 줄어듦)의 경우를 말하며 환원은 산소와의 분리, 수소와의 결합, 산화수의 감소(전자의 수가 늘어남)의 경우를  말한다. 한 원소가 산화하면 다른 원소는 환원되기 때문에 항상 동반되어 발생한다고 볼 수 있다.

처음에는 산소를 기준으로 하여 산소가 다른 원소와의 결합, 분리에 주목하였으나 현재는 수소와의 결합 여부, 전자의 이동에 따른 원자가변화인 산화수 변화로 산화, 환원반응을 구분하는 기준으로 사용한다.

예를 들면, 공기 중에서 탄소나 황을 연소시키는 것은

C ＋ O2 → CO2

S ＋ O2 → SO2

와 같이 산소와 화합하기 때문에 산화이다. 또 에탄올 CH3CH2OH를 적당한 산화제와 반응시키면 아세트알데하이드 CH3CHO를 생성하고 원래의 에탄올보다도 분자 중의 수소수가 감소하는 것도 산화이다.

이와는 반대로 산소를 잃거나 수소를 얻는 반응을 환원이라고 한다. 넓은 뜻으로는, 일반적으로 화학반응이 일어난 전후에 1개의 원소에 주목하였을 때, 그 원소는 산화되었다고 한다. 이 경우, 그 원소의 산화수의 증가는 다른 어느 원소의 산화수의 감소를 뜻하므로 그 원소의 산화에 의하여 다른 원소의 환원을 볼 수 있고, 산화와 환원은 항상 동반된다고 할 수 있다.

산화에서의 산화수의 변화는 이온인 경우는 양전하의 증가, 음전하의 감소로 나타나는데 어느 경우이든 그것은 전자를 방출하는 반응이 산화가 된다. 예를 들면,

C + O2 → CO2

에서는 C의 산화수 0 및 O의 산화수 0인데, CO2의 C에서는 ＋4, O의 산화수 －2인 사실에서 C는 산화되고, O는 환원되어 있다.

또 예를 들면, 아연을 묽은황산에 녹일 때의 반응은

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2

이며, Zn은 Zn2+가 되어 양전하가 증가하고 있으므로 산화이다.

[출처] 산화·환원 [酸化還元, oxidation-reduction ] | 네이버 백과사전

산화환원반응 [酸化還元反應, oxidation-reduction reaction]

물질간의 전자 이동으로 산화와 환원 반응이 동시에 일어난다. 전자를 잃은 쪽은 산화수가 증가하고 산화되며, 전자를 얻은 쪽은 산화수가 줄어들고 환원된다. 이 때 잃은 전자수와 얻은 전자수는 항상 같다.

반응물 간의 전자 이동으로 일어나는 반응으로 산화와 환원이 동시에 일어난다. 전자를 잃은 쪽을 산화되었다고 하고 전자를 얻은 쪽을 환원되었다고 한다. 이때, 잃은 전자수와 얻은 전자수는 항상 같다.

산화환원반응이 일어날 때 산화수의 변화가 일어난다. 산화수란 일반적으로 이온으로 되었을 때 전하량이다. 이온의 종류가 두 개 이상인 철과 같은 원자의 경우에는 공유결합을 이루는 전자가 전기음성도가 더 큰 원자에 속해있다고 했을 때의 전하량을 생각하면 된다.

홑원소물질과 중성화합물의 산화수는 0, 이온의 산화수는 이온의 전하량, 산소원자의 경우에는 보통 -2, 과산화물에서는 -1이고 수소원자의 경우 보통 +1, 금속화합물에서는 -1이다. 산화수를 계산할 때에는 이온화가 잘 되는 1족, 2족, 17족과 같은 원소들의 산화수를 먼저 생각해주는 것이 쉽다. 산화된 물질은 전자를 잃게 되므로 산화수가 증가하고, 환원되는 물질은 전자를 얻으므로 산화수가 감소한다.

예를 들어 SO42-는 O의 산화수가 -2이고 총 4개 있으므로 -8인데 화합물 전체의 산화수가 -2이므로 S의 산화수는 +6이된다. NH3는 H의 산화수가 +1이고 총 3개 있으므로 +3이고 화합물 전체의 산화수가 0이므로 N의 산화수는 -3이다. 반면 HNO3의 경우 H의 산화수 +1, O의 산화수는 -2이고 3개 있으므로 -6인데 화합물 전체의 산화수가 0이므로 이 때 N의 산화수는 +5가 된다.

산화환원반응에서 각 원소의 산화수를 계산하여 어떤 물질이 산화 또는 환원되었는지 쉽게 알 수 있다.

각 반응물의 산화수를 보면 다음과 같다.

Sn : +2 → +4 : 산화수가 증가했으므로 산화되었다.

Cl2 (g) : 0 → -1 : 산화수가 감소했으므로 환원되었다.

산화환원반응의 가장 대표적인 경우가 화학전지이다. 아연과 구리로 만들어진 화학전지의 경우, 아연이 전자를 잃고 산화되고 구리는 전자를 얻고 환원된다.

[그림] 다니엘 전지

자신은 환원되면서 다른 물질을 산화시키는 물질을 산화제, 반대로 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 물질을 환원제라고 한다. 따라서 전자를 얻는 성질이 강할수록 강한 산화제, 전자를 잃는 성질이 강할수록 강한 환원제이다.

[출처] 산화환원반응 [酸化還元反應, oxidation-reduction reaction ] | 네이버 백과사전

가역전지 [可逆電池, reversible cell]

외부의 직류 전원에서 방전과 반대방향으로 전류를 흘려]보내면 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 전지를 말한다. 축전지, 2차전지인 납축전지, 1차전지인 다니엘전지는 가역전지이다.

전지로부터 전류를 빼낼 때에만 전지 속에서 화학변화가 일어나도록 만든 전지이다. 외부의 직류 전원에서 앞의 방전 때와는 반대방향으로 전류를 흘려 보내면, 방전 때와는 반대방향에서 화학변화가 일어난다.

축전지는 전기에너지를 보존하였다가 필요에따라 전기에너지를 꺼내 쓰는 전기기기이기 때문에 가역전지이다. 전기에너지를 축전지에서 꺼내 사용하는 것을 방전이라고 하며 전기에너지를 화학에너지로 축전지에 넣는 것을 충전이라고 한다. 2차전지인 납축전지나 1차전지인 다니엘전지는 가역전지이다. 볼타전지는 전류를 빼내지 않을 때에도 전지 안에서 화학변화가 일어나는데, 그 반응이 비가역적이므로 비가역전지라고 한다.

[출처] 가역전지 [可逆電池, reversible cell ] | 네이버 백과사전