일반화학실험I Ch.10

Electrochemical Reaction and Entropy Change

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개요

깁스 자유에너지

깁스 자유에너지 (\$\Delta G\$)와 엔탈피 (\$\Delta H\$), 엔트로피 (\$\Delta S\$)는 다음 관계를 만족한다.

\$\$ \Delta G = \Delta H - T\Delta S \$\$

깁스 자유에너지의 변화가 엔탈피 변화에서 엔트로피에 의한 에너지 변화를 뺀 값이라고 이해할 수 있다.

기전력과 자유에너지의 관계

전극 사이에 이동한 전자의 몰수 \$n\$, 페러데이 상수 (전자 1몰 당 전하량) \$F\approx 96.485 ~ \rm{kJ/V \cdot mol}\$, 전지의 기전력 \$E\$에 대해 다음이 성립한다.

\$\$\Delta G = -nFE\$\$

깁스 자유에너지 식과 연립하여 정리하면 다음을 얻는다.

\$\$ \Delta S = \frac{\Delta H + nFE}{T} \$\$

엔탈피 변화가 온도와 무관하다고 가정하면 기전력으로부터 엔트로피 변화를 구할 수 있다.

전지와 열역학

실험에 사용되는 전지는 다음 반응을 기반으로 한다. \$\$ \ce{Cu^2+ + 2Fe^2+ -> Cu + 2Fe^3+} \quad E = 0.434V \quad \Delta H = 16.43 \rm{kJ/mol} \$\$

표준전지전위 E는 표준환원전위를 이용하여 구할 수 있다. \$\$ \ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu} \qquad E = +0.337V \$\$ \$\$ \ce{Fe^3+ + e- -> Fe^2+} \qquad E = +0.771V \$\$

실험 도구

LabQuest, 전압계, 온도계, 스탠드, 100 mL 비커, 500 mL 비커, 가열 교반기, 깨끗한 전극 (백금, 구리), 유리 튜브, 투석 박막 2개, 고무줄 2개, 0.1 M \$\ce{FeCl3}\$ 용액, 0.1 M \$\ce{FeSO4}\$ 용액, 0.1 M \$\ce{CuSO4}\$ 용액, 0.1 M \$\ce{KNO3}\$ 용액, 탈염수

실험 과정

1. 보안경과 보호장갑, 실험복을 착용한다.
2. 유리 튜브의 한 쪽을 투석 박막으로 막고 고무줄로 고정한다. 탈염수를 집어넣어 새지 않음을 확인한다. 2개 준비한다.
3. 위의 두 전지 반응기를 투석 박막이 아래로 가도록 100 mL 비커에 넘어지지 않게 세운다.
4. 100 mL 비커에 온도계를 설치한다.
5. 두 전지 반응기에 다음을 넣는다.
   1. 전지 반응기 1: 0.1 M \$\ce{CuSO4}\$ 4 mL
   2. 전지 반응기 2: 0.1 M \$\ce{FeCl3}\$ 2 mL + 0.1 M \$\ce{FeSO4}\$ 2 mL
6. 100 mL 비커에 0.1 M \$\ce{KNO3}\$ 60 mL를 넣는다. 이 수면이 전지 반응기의 수면보다 높게 한다.
7. 500 mL 비커를 가열 교반기 위에 놓고 위의 전지를 비커 안에 넣는다.
8. 500 mL 비커에 물을 넣어 중탕을 준비한다.
9. 전압계가 동작하는지 확인 후 LabQuest를 켜고 전압계를 연결한다.
10. 구리 전극을 전압계의 음극 (검은색)과 연결하고 전지 반응기 1에 넣는다.
11. 백금 전극을 전압계의 양극 (빨간색)에 연결한다. 반응기에 넣지 않는다.
12. 백금 전극을 전지 반응기 2에 담그고 4~5초 후 전압이 안정되면 전압을 기록한 후 백금 전극을 꺼내어 증류수로 씻는다.
13. 가열판을 200℃로 맞추고, 40℃, 55℃, 70℃에서 위의 측정을 반복한다.

테이블