전기화학

Electrochemistry

전자가 쉽게 이동하는 금속에서 받기 쉬운 금속으로 흐르면 전류가 생기고, 이것이 갈바니 전지의 원리예요. 표준 전극 전위로 기전력을 계산하고, 환원 전위가 큰 쪽이 환원극이 돼요. 전기 분해는 외부 전원으로 비자발 반응을 일으키며, 패러데이 법칙으로 석출 질량을 구할 수 있어요. 이 페이지에서는 기전력을 바꿔 갈바니 전지의 전자 흐름을 보고, 전기 분해와 비교해 봐요.

직관 도입: 전자의 이동이 전기를 만든다

💡 비유: 물레방아

①높은 곳의 물이 낮은 곳으로 흐르며 물레방아를 돌린다

②전기화학에서는 '전자'가 흐르며 일(전류)을 한다

③전자를 잃기 쉬운 금속(Zn)에서 얻기 쉬운 금속(Cu)으로 전자 이동

④이 전자의 흐름이 '전류': 배터리의 원리

⑤배터리(건전지) = 갈바니 전지, 도금 = 전기분해

갈바니 전지 (화학 전지)

기전력 E° (V)1.1

🔍 전지의 작동 원리를 추적하라!

①Zn 전극에서: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (산화, 전자 방출)

②전자가 외부 도선을 통해 Cu 전극으로 이동

③Cu 전극에서: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (환원, 전자 수용)

④염다리: 이온 이동으로 전기적 중성 유지 (없으면 전류 멈춤)

⑤전자는 산화극(−)에서 환원극(+)으로 흐른다

표준 전극 전위

기전력 계산

E°_cell = E°_환원극 − E°_산화극

환원 전위가 높은 쪽이 환원극(+)

주요 표준 환원 전위

Chart표준 환원 전위 (25°C)

반쪽 반응	E° (V)
F₂ + 2e⁻ → 2F⁻	+2.87
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu	+0.34
2H⁺ + 2e⁻ → H₂ (SHE)	0.00
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn	-0.76
Li⁺ + e⁻ → Li	-3.04

💡 전위표 읽는 법

①E° 큰 쪽 = 환원되기 쉬움 (전자를 잘 받음)

②E° 작은 쪽 = 산화되기 쉬움 (전자를 잘 줌)

③Zn-Cu 전지: E° = 0.34 − (−0.76) = 1.10V

④SHE(표준 수소 전극)이 기준점 (E° = 0.00V)

전기 분해

패러데이 법칙

m = MItnF

m: 석출 질량, M: 몰질량, I: 전류, t: 시간, n: 전자수, F: 96500 C/mol

갈바니 전지 vs 전기 분해

Chart두 장치의 비교

항목	갈바니 전지	전기 분해
에너지 변환	화학→전기	전기→화학
자발성	자발적 (E°>0)	비자발 (외부 전원 필요)
산화극	(−) 음극	(+) 양극
환원극	(+) 양극	(−) 음극
응용	건전지, 연료전지	도금, 전기 정련

예제로 익히기

예제 1

Zn-Cu 갈바니 전지의 표준 기전력 E°cell을 구하시오. (E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 V, E°(Zn²⁺/Zn) = −0.76 V)

E°cell = E°(환원극) − E°(산화극). 환원 전위 큰 Cu가 환원극(+).

E°_cell = E°_환원극 − E°_산화극

Cu가 환원극, Zn이 산화극이므로 대입한다.

E°_cell = 0.34 − (−0.76) = 1.10 V

▸ 1.10 V

환원 전위가 큰 쪽이 환원극(+). E°cell > 0이면 자발적 반응 → 갈바니 전지로 작동.

예제 2

CuSO₄ 용액을 2 A로 5분(300초) 전기분해할 때 석출되는 Cu의 질량은? (Cu 몰질량 64, n = 2, F = 96500)

패러데이 법칙 m = MIt/nF를 사용한다. 먼저 전하량 It = 2 × 300 = 600 C.

m = MItnF, It = 2 × 300 = 600 C

값을 대입한다.

m = 64 × 6002 × 96500 ≈ 0.199 g

▸ 약 0.20 g

패러데이 법칙: 석출 질량은 전하량(It)에 비례, 전자 수 n에 반비례. Cu²⁺는 n=2.

총정리

핵심 공식

E°_cell = E°_환원극 − E°_산화극

E°cell > 0: 자발적 반응 (갈바니 전지)

수능 유형 변형

갈바니 전지와 전기 분해에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

①갈바니 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾼다

②갈바니 전지에서 산화극은 (−)극이다

③전기 분해는 외부 전원이 필요한 비자발 반응이다

④전기 분해에서 산화극은 (−)극이다

⑤두 장치 모두 산화극에서 산화, 환원극에서 환원이 일어난다

▸ ④ 전기 분해에서 산화극은 (−)극이다

전기 분해에서는 외부 전원의 (+)단자에 연결된 전극이 산화극 = (+)양극.

전기 분해의 산화극은 (+)극이므로 ④가 옳지 않다(갈바니 전지의 산화극이 (−)극).

🎯 시험 포인트

①E°cell = E°환원극 − E°산화극: 환원전위 큰 쪽이 (+)극

②갈바니 전지: 자발 반응, 산화극(−), 환원극(+)

③전기 분해: 비자발 반응, 산화극(+), 환원극(−) ← 부호 주의!

④패러데이 법칙: m = MIt/nF (석출 질량 계산)

⑤산화 = 전자 잃음(OIL), 환원 = 전자 얻음(RIG)