학습 목표:
전기화학적 산화/환원 반응의 정의와 전지 및 전극반응의 원리에 대해서 배운다.
전기화학 시스템은 최소 2개의 전극으로 구성되어 있음
산화(Oxidation)
환원(Reduction)
<전자 흐름의 방향>
- 전기화학 시스템에서 산화와 환원은 동시에 일어남
환원: 전극 표면에서 전자가 R쪽으로 이동
산화: A라는 물질이 전자를 준 것
환원이 일어나는 곳: cathode (환원전극)
산화가 일어나는 곳: anode (산화전극)
전극 : 상대적 비교
Positive Electrode
Negative Electrode
전류의 세기: 반응의 세기
Cathodic Current: +
Anodic Current: -로 정의
A+B -> C
속도 상수 k 조건:
k = f(T, 충돌수, direction)
활성화E는 고정되어있는 값임.
온도가 높을수록 활성화 E보다 더 큼. -> 반응이 더 빨리 간다는 것
전기화학 반응
O + ne^- → R
Q. 이 electron은 어디에 있는 electron임?
A: 전극 계면. (interface, 전극과 용액이 맞닿는 계면)
Q. k = f (온도, 충돌수, direction)
이 3가지 중, 전극 반응에서 어떤 것이 유효하게 작용할까?
A: 일단 전극 표면에서 만나야되니, 충돌수가 유효할 것임. 또한 온도도 작용.
(direction은 전기화학에서 관련이 없음!)
온도를 올리면, 입자 에너지만 바뀜.
Q. 상온에서 에너지를 바꾸는 방법?
A. power supply를 이용해서, 전자의 에너지를 바꿀 수 있음.
전자의 에너지를 높이면, 환원반응이 일어나고, 전자의 에너지를 낮추면, 산화반응이 일어남.
Q. 어떤 입자에, 전자가 많이 하전되어있을 경우, 전위는?
A. 낮음.
: 전자가 (-) charge를 갖고있는 덕분에, 전위는 반대임
분자궤도함수 개념
훨씬 더 많은 orbital들이 존재해서, 혼성궤도를 이루기 때문에 atom보다 molecule이 조금 더 조밀한 것임.
고체: 거의 E level이 차이 없는 orbital들이 연이어서 붙어있기 때문에, band라고 부
Fermi level: 전자가 차있는 영역과, 안차있는 영역 간격이 없음. 가장 높은 E 준위를 Fermi level라고 함 (전자의 E)
Q. 전자가 어디에 있을까?
전도도가기여하는 전자는 ess? 전자임
전위(Potential, V) : 하나의 기준점에 대한 차 : Electric pressure
전압(Voltage, V) : 두 개의 차
환원 반응: 전극의 전자의 에너지를 높였을 때,
환원전류: (+), 산화전류: (-)로 정
Q. 전위에 부호가 있나? (+), (-)
: 전류는 (+), (-)가 있음.
(+)은 무엇보다 크다는 것. (-)는 무엇보다 낮다는 것.
전위에는 방향성이 없음!
기준: 수소 전극 (표준 수소 전극)
2H+ + 2e- -> H2(g)
표준 수소 전극의 전위는 0임. (정의)
또한, 표준 수소 전극은 '모든 온도 범위'에서 0으로 정의
표준 전위 함수는 온도의 함수다 !!
Q. 의미하는 바가 무엇인가?
: 전위가 클수록, 환원이 잘 된다는 것! = 환원된 상태가 더 안정하다
+는 오른쪽으로 더 많이 존재하고, Fe의 경우에는 Fe2+(산화물)로 더 많이 존재함
전극의 전자에너지는, 마음대로 바꿀 수 있음
HOMO와 LUMO의 중간 지점을, 그 물질의 표준 전극 전위라고 볼 수 있음
전자와 전위는 반대 방향
(1) Fermi level을 조절한다는 의미는, 전극의 전자의 에너지를 조절한다는 의미
전자의 에너지 level에 있는 HOMO, LUMO의 상대적 위치로, 전자가 어디로 넘어갈 것인지 볼 수 있음
(2) 전위가 다른 두 system에 누가 먼저 환원이 일어날 것인가도 예상할 수 있음!
