partⅢ화학반응

1. 화학반응과 에너지

1-1. 화학반응에서 에너지 출입이 없다면 어떻게 될까?

    1-1-1 학습 활동지

1-2. 에너지가 생성되거나 소멸이 된다면 어떻게 될까?

    1-2-1 학습 활동지

2. 반응속도와 화학평형

2-1. 반응속도는 어떻게 하면 빠를까?

    2-1-1 학습 활동지

2-2. 화학평형은 어떤 상태일까?

    2-2-1 학습 활동지

2-3. 화학평형을 이동시키려면 어떻게 해야 할까?

    2-3-1 학습 활동지

3. 산과 염기의 반응

3-1 산 염기의 분류 기준은 무엇일까?

    3-1-1 학습 활동지

3-2. 산과 염기의 세기는 어떻게 알까?

    3-2-1 학습 활동지

3-3. 중화 반응에서는 어떤 변화가 일어날까?

    3-3-1 학습 활동지

4. 산화·환원반응

4-1. 산소와 결합할 때 전자는 어디로 이동할까?

    4-1-1 학습 활동지

4-2. 산화·환원 반응은 어디에 이용되고 있을까?

    4-2-1 학습 활동지

 

5 창의력 기르기

6 과학 글쓰기

7 직업 엿보기

 

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    • 화학 전지, 전기 분해 원리를 산화·환원 반응으로 설명할 수 있다.

       • 화학 전지, 전기 분해가 적용되는 생활 속 물품에서 과학 원리를 설명할 수                                 있다.

다음은 묽은 황산 수용액에 아연판과 구리판을 넣고 관찰하고, 도선을 연결하여 화학 전지를 만들어서 관찰한 결과를 정리하였다. 각 반응의 원리를 탐구해 보자.

• 도선을 연결하기 전 : 아연판은 묽은 황산 용액에서 산화되어 수소 기체가 발생하고,구리판은 반응이 일어나지 않는다. [반응성 Zn > H > Cu]
• 도선을 연결한 후 : 황산 용액에서 아연판이 산화되면서 내어 놓은 전자는 도선을 따라구리판 쪽으로 이동한다. 구리판에서는 전자가 묽은황산 용액의 H⁺와 결합하여 수소기체가 발생한다.

• 이온화 경향
• 금속 원소는 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향  
• 이온화 경향이 큰 금속은 작은 금속의 이온에게 전자를 주고 산화될 수 있다.
• 이온화 경향이 작은 금속은 이온화 경향이 큰 금속의 이온과 반응할 수 없다.
• 이온화 경향이 큰 금속일수록 전자를 잘 잃어버리므로(산화) 반응성은 크다



그림 Ⅲ-25 이온화 경향성

• 전지
• 자발적인 산화 환원 반응에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치
• 1차 전지 : 충전이 가능하지 않은 전지 : 볼타 전지, 다니엘 전지, 건전지
• 2차 전지 : 충전이 가능하여 기전력을 회복할 수 있는 전지 : 납축전지

• 볼타 전지
• 묽은 황산 수용액에 아연(Zn)판과 구리(Cu)판을 담그어 도선으로 연결하여 만든 전지  





• 볼타 전지 반응
• 이온화 경향이 큰 아연이 녹아 Zn²⁺으로 되고 전자를 내놓는다. 이 전자는 도선을 따라 구리판으로 이동하고 황산 수용액의 수소 이온에게 전자를 제공하여 수소 기체를 발생시킨다  

• 다니엘 전지
• 황산아연 용액에 아연판을 담그고, 황산구리 용액에 구리판을 담그어 도선으로 연결하고 염다리(salt bridge)를 설치한 전지.





• 건전지
• 망간형 건전지
• 아연을 음극으로 하고, 불활성 탄소 막대를 양극으로 한 전지
•   전해질은 이산화망간, 염화아연, 염화암모늄과 카본블랙 등을 혼합하여 습한 상태로 충진  
  

                            그림 Ⅲ-26 건전지 구조



• 알칼리 전지
• 전해질로 염화암모늄과 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 사용한 겔상 전해액에 아연 분말을 분산시켜 만든 전지  

2. 건전지에 대한 물음에 답하시오.

1) 전해질로써 사용된 물질은?

2) 감극제로써 사용된 물질은?

3) (－)극에서 일어나는 반응을 적어 보시오.

• 납 축전지
• 납 축전지는 용액은 묽은 황산이며, 음극은 납 금속, 양극은 적갈색의 산화납으로 구성 되어 있는 전지로 2차 전지에 속함

 

                    그림 Ⅲ-27 납 축전지





                                                                         

• 납축전지는 역방향으로 전류를 흘려주면 전극 물질을 재생하는 것을 충전
• 납축 전지와 같이 충전이 가능한 전지를 2차 전지, 충전이 어려운 전지를 1차전지라고 한다.

3. 납 축전지에 대한 물음을 답하시오.

1) 전해질로써 사용된 물질은?

2) 감극제로써 사용된 물질은?

3) 방전 시에 일어나는 변화를 적어 보시오.

 

• 리튬 이온 전지
• 지구상에 존재하는 가장 가벼운 금속인 리튬을 음극, 양극은 탄소 집전체이며, 전해액으로 SOCl2, SO2, MnO2, (CF)n등을 사용
• 방전될 때 (-)극에서는 리튬이 전자를 내어 놓고 Li+으로 되는 산화 반응이 일어나고, (+)극에서는 Li+이 전자를 얻는 환원 반응이 일어난다.
• 장점
• 가볍고, 무게 대비 에너지 밀도가 다른 어떤 전지보다도 크다.
• 자가 방전에 의한전력 손실이 적다.
• 기억 효과(memory effect)를 나타내지 않는다.
• 단점
• 잘못 사용하면 폭발 위험이 있고 수명이 짧아진다.
• 용도
• 휴대 전화, 노트북, 디지털카메라, 자동차 등에 사용
• 향후 전기 자동차용 리튬 이온 전지 시장 규모가 크게 늘어날 것으로 전망.

• 연료 전지
• 반응 물질이 전지 내부에 저장되어 있지 않고, 외부로부터 계속 공급되어 지속적 으로 작동되는 전지 



그림 Ⅲ-30 연료 전지의 원리

• 금속 촉매를 포함하고 있는 다공성 탄소 전극과 고온의 수산화 칼륨(KOH) 수용액으로 구성
• 수소 기체와 산소 기체가 반응물이다. 수소 기체는 (-)극에서 산화되면서 생성된 전자는 외부 도선을 타고 흐르면서 일을 하게 된다. 산소 기 체는 (+)극에서 환원된다 



• 장점
• 전체 반응식에서 알 수 있는 것과 같이, 연료 전지는 물만 생성되므로 공해를 거 의 일으키지 않으며, 에너지 효율이 40~60%로 높다
• 연료 전지는 수소 기체를 사용하는 대신에, 메탄올을 연료로 사용하는 메탄올 연료 전지(DMFC)가 개발되었다.
• 메탄올은 수소에 비하여 얻기 쉽고, 저장이 편하다
• 용도
• 발전용, 선박용 등의 용도로 개발되어 사용되고 있다.

4. 연료 전지나 리튬 이온 전지의 장점을 조사해 보자.

 

 

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다음과 같은 전기 분해 장치를 이용하여 염화 구리(Ⅱ) 수용액에 전기를 흘려주었을 때 일어나는 반응을 관찰한 결과를 정리한 것이다. 이 반응의 원리 를 탐구해 보자.

• 용액 속의 염화 이온(Cl^-)은 (+)전극으로 이동하여 전자를 빼앗겨 산화된다.
• 용액 속의 구리 이온(Cu²⁺)은 (-)전극으로 이동하여 전자를 얻어 환원된다.  

• 수용액에서 염화 구리는 다음과 같이 나뉘어진다.

CuCl2(aq) → Cu²⁺(aq) + 2Cl^-(aq)

• (+)전극은 음이온인 Cl^-을 끌어당겨서 전자를 빼앗는다. 따라서 Cl^-은 전자를 빼앗기는 산화 반응
• (-)전극은 전자를 받기 쉬운 양이온(Cu²⁺)을 끌어당겨서 전자를 받아들이는 환원 반응

• 일반적으로 전해질 수용액을 전기 분해할 때 (-)극에서는 물보다 환원이 어려운 양 이온 Li⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Al³⁺ 보다는 물이 전자를 잘 받아들인다  

  2H2O(l ) + 2e^- → H2(g) + 2OH^-(aq)

• (+)극에서는 물보다 산화가 어려운 음이온 F^-, SO4^2-, CO3^2-, NO3 ^-, PO4^3- 보다는 물이 전자를 내주기 쉬운 물질이다. 따라서 물이 산화된다  

  2H2O(l ) → O²(g) + 4H⁺(aq) + 4e^-  

 

5. 전기 분해와 화학 전지에서 전극 (-)극에서 일어나는 반응의 차이점을 적어 보시오.

 

6. 염화 구리 수용액을 전기 분해하면 (+)극에서는 (    ) 기체가 발생하고, (-)극에서는 붉은색 (    )가 석출된다.

 

• 전기 분해                                                                      

                                                                                                            물의 전기 분해

• 전해질 용액에 직류 전기를 통하여 물질을 분해하고 새로운 물질을 얻는 것(전기 에너지를 이용하여 화학적 변화를 일으킴)  
• 염화나트륨 용액의 전기 분해  
• NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq)  
• 양극 : 음이온인 Cl^-이 이동하여 Cl2 기체 생성
• 음극 : 양이온인 H⁺이 이동하여 H2 기체 생성
• 용액 : Na⁺와 OH^-가 반응하여 NaOH를 생성 





그림 Ⅲ-31 염화 나트륨 용융액 전기 분해 그림 Ⅲ-32 염화 나트륨 수용액 전기 분해

• 전해질 용액 속에 직류 전기를 통하여 용액 속의 금속 이온이 환원되어 얇은 금속막이 피도금체에 형성시킴  
• 금속에 녹이 스는 것을 방지하거나 표면을 아름답게 하기 위하여 전기 분해를이용하여 표면에 다른 금속을 얇게 입히는 것을 전기 도금
• 도금은 전기를 흐르게 해서 이온을 원자로 바꾸는 원리를 이용한다. 즉, 전지의 역반응

• 도금 방법
• 음극 : 도금을 입히려는 물체(예: 철판)
• 양극 : 입힐 금속(도금하려는 금속, 예 : 구리판)
• 전해질 용액 : 도금할 금속 이온이 포함된 (예 : 황산구리 )
• 도금 공정 예



• 은 도금
• Ag+을 포함하는 용액에서 도금할 물체를 (-)극에 연결하고, 은판을 (+)극에 연결한다.
• 두 극에서 다음과 같은 반응이 일어나서 도금할 물체의 표면에 은이 도금된다.

(-)극 : Ag⁺(aq) + e^- → Ag(s)

(+)극 : Ag(s) → Ag⁺(aq) + e^- 

 

 

그림 Ⅲ-33 전기 도금 장치

7. 은으로 도금된 숟가락을 만들려면, 숟가락은 어느 전극에 연결하여야 하는가?

 

 

다롱이 홍행홍 황당한 이름사연

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