5-5-4. 표준 전극 전위
1. 표준 환원 전위/2. 기전력/3. 금속의 반응성 비교/
여러분들은 전해질 용액 속에서
서로 이온화 경향이 다른 금속을 도선으로 연결하면
전류가 흐른다는 것을 앞에서 배웠습니다.
이제 배울 내용은 이 때 생기는 전압이 금속에 따라 달라지므로
그 표준을 정하는 방법에 대한 것입니다.
수소 이온이 물 속에서 환원하여 수소로 될 때의 전위를
0.00V로 하여 기준으로 삼고
이에 대한 어떤 금속 이온이 환원하는 반응에서 나타나는 전위를
표준 환원 전위라 합니다.
측정 조건은 상온(섭씨 25도), 1기압에서 [H+] = 1M인 수소 전극에
어떤 금속과 그 금속염의 농도가 1M인 반쪽 전지를 연결하여
측정한 전위차가 표준 환원 전위입니다.
설명이 좀 어렵죠? 그러나 걱정 말고 다음과 같이 정리합시다.
2H+ + 2e- --> H2 : Eo = 0.00V
Zn2+ + 2e- --> Zn : Eo = -0.76V
Cu2+ + 2e- --> Cu : Eo = +0.34V
Ag+ + e- --> Ag : Eo = +0.80V
위에 나타낸 여러 가지 Eo 값이 뜻하는 바를 생각해 봅니다.
아연 이온은 수소 이온보다 환원하기 어려워서 표준 환원 전위값이 (-)이고,
구리 이온은 수소 이온보다 환원하기 쉬워서 (+)값을 보입니다.
이 값은 또한 반응성의 차이를 나타내기도 합니다.
위 자료로부터 반응성이 큰 순서를 나타내 본다면 아연>구리>은으로 되겠죠.
즉 표준 환원 전위가 작을수록 반응성이 크다는 것이죠.
왜냐 하면 금속의 표준 환원 전위가 작다는 것은 금속이 환원하기보다는
양이온으로 되어 전자를 쉽게 잃어버리기를 더욱 좋아한다는 것을
보여주는 것이기 때문이죠.
전지를 이루는 전극 간의 표준 환원 전위의 차이가 생기면
전류가 일정한 방향으로 흐르게 되고 전극의 전위차에 해당하는 전압이 걸립니다.
이것이 전지의 기전력이 됩니다.
기전력의 계산은 섭씨 25도, 1기압, 전해질의 농도가 1M인 조건에서
(+)극의 표준 환원 전위에서 (-)극의 표준 환원 전위를 뺀 값으로 결정됩니다.
쉽게 말하면 표준 환원 전위값이 큰 것에서 작은 것을 빼면 되는 거죠.
위 그림과 같은 전지의 기전력은 (+)극인 구리의 표준 환원 전위값에서
(-)극인 아연의 표준 환원 전위값을 빼면 되니까
+0.34-(-0.76) = 1.10V 가 나오네요.
만일 (+)극이 은이고 (-)극이 아연이라면 +0.80-(-0.76) = 1.56V 가 되겠죠?
단, 조심할 것은 기전력 계산은
표준 환원 전위를 단순히 빼기만 하면 되는 것이지
전체 반응의 계수는 아무 상관이 없다는 점입니다.
Cu2+ + Zn --> Cu + Zn2+ : 기전력 Eo = 1.10 V
2Ag+ + Zn --> 2Ag + Zn2+ : 기전력 Eo = 1.56 V,
2 X (+0.80) - (-0.76) = 2.36 V 로 계산하면 안됩니다.
황산구리(II) 수용액에 철사를 넣고 관찰하면
철사 표면에 점점 붉은빛의 구리가 석출되면서
황산구리(II) 용액의 푸른색이 옅어지는 것을 알 수 있습니다.
이것은 구리보다 철이 더 큰 반응성을 갖기 때문에 철이 구리에게 전자를 넘겨 주고
양이온으로 되면서 구리 양이온이 금속 구리로 석출되기 때문이죠.
일반적으로 금속의 반응성이 다른 금속과 이온을 한 전해질 용액 속에 넣었을 때
금속성(반응성)이 큰 쪽은 양이온 상태로 있으려-쉽게 산화-하고
금속성(반응성)이 작은 쪽은 석출-쉽게 환원-됩니다.
또한 대개는 금속성이 크면 이온화 경향이 강해서
금속의 표준 환원 전위가 작은 값을 가지며,
금속성이 작으면 표준 환원전위가 큰 값을 갖게 됩니다.
따라서 금속의 표준 환원 전위를 비교하면 금속의 반응성을 대강 예측할 수 있습니다.