학습목표:
열역학과 전기화학의 상호관계성에 대해서 알아본다.
분자궤도함수는 원자 여러개로 만들어짐.
거대분자궤도함수로 가게되면, 전자의 E level 수가 많아지면서, E level 간격이 굉장히 좁아짐.
전극의 HOMO, LUMO를 Fermi level이라고 부름. (워낙 촘촘해서 사실상 붙어있다고 생각)
Fermi level: 전극에 있는 전자의 E
산화반응
용액에 있는 전자가 전극으로 넘어오는 것
환원반응
전극에 있는 전자가 용액으로 넘어가는 것
전지에서의 산화환원 반응이란?
-> 전극에 있는 전자의 에너지 준위와 용액에 있는 어떤 molecule의 HOMO, LUMO E level을 비교해서, 전자가 이동하는 것!
Q. A, B 중에서 환원이 더 잘 일어나는 것?
전자의 E level이 더 높은 B가 환원이 더 잘 일어남
Q. 전위는 뭐가 더 높음?
A.
B는 전위가 더 낮음. (전자와 전위는 반대로 생각하기)
결론
산화반응, 환원반응. 즉 전자의 E 준위, 전위를 바꿈으로써, 반응속도를 조절할 수 있다!
용액: 용매+염(전해질)
염 ex) KCl
Q. 왼쪽에서 환원, 오른쪽에서 산화반응이 일어난다면,
염(K+, Cl-) 양이온, 음이온의 방향은 어떻게 될 것 같나?
이온의 역할, 이온의 방향?
A.
폐회로 측면 / 전기 중성 / 전기장 측면 에서, 양이온은 환원전극쪽으로, 음이온은 산화전극 쪽으로 이동.
- 표준전극전위가 높다는 것 = 환원이 잘 된다는 것
Charge carrier : (1) 전자 (2) 이온
- 대부분의 charge carrier으로 전해질을 씀.
가끔 산화환원반응에 참여하는 물질도 charge carrier가 되기도 함.
그걸 피하기 위해, 전해질의 염의 농도를 월등히 높혀서, 대부분을 염이 담당하도록 함.
- 전자는 전극 표면까지만!
Q. 전자가 어떻게 흐를 것인지, 전지라고 생각했을 때 전압이 얼마가 될 것인지 예측?
A. Cu가 환원이 더 잘 됨. Cu가 전자를 끌어당기면, 자동으로 Zn은 산화가 더 잘 됨.
전자의 방향은? (그림 참고) / 전압: 1.1 V
- 표준 전극 전위를 '환원' 기반으로 정의.
환원이 잘 되는 것을 +로 정의
Q. 3가지 중, 누가 먼저 환원이 되겠는가?
전극 전위로부터 예측할 수 있음.
첫 번쨰 반응 주자: Fe - Sn - Ni
- 전위를 상승시킬 때 일어나는 반응: 산화반응
- 전위를 감소시킬 때 일어나는 반응: 환원반응
-
전위를 낮출 경우, 전자의 에너지 올라감 -> 환원반응을 기대할 수 있음!
- 수소 전극 반응이 잘 일어나는 전극: 백금 전극, Ir, Au, Pa
- 수소 이온 메커니즘:
수소이온이 백금한테 가서, 1:1로 흡착.
transition state: partially bonding
약해지며, 전자가 넘어오며 수소가스 발생.
2H+ + 2e- -> H2 (액체라서, transition state가 아주 어렵게 일어남)
- 전위가 낮아질수록, 전자 에너지는 높아짐
Q. 전기화학 반응에서는 △G가 다른 의미로 쓰임. 어떤 의미로 쓰이는가?
A. 55:24~
- 전극의 전위는, 참여하는 redox couple의 농도 비로 결정됨
