기전력이 무엇일까?

1. 기전력이란?

전자에 운동에너지를 공급하여 회로에 전류를 계속 흐르게 유지시키는 능력으로 전지에서는 서로 다른 전극의 전위가 연결 시 전위 차가 발생해 전극에서 산화, 환원 반응 발생, 전기회로에서 전기를 흐르게 하는 원동력이다.

 

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2. 깁스 자유에너지와 기전력

깁스 자유에너지란 일정한 압력과 온도 하에 반응에 이용되거나 방출되는 에너지의 총량이다. 이는 열역학함수의 하나이다. 깁스 자유 에너지의 단위는 에너지이며, 어떤 화학반응을 대상으로 할 경우에는 그 반응의 진행에 의해 방출할 수 있는 에너지를 나타낸다. 전기에너지는 다음의 식과 같이 전하량과 전압의 곱으로 계산된다.

E: 전기적에너지 C: 쿨롱 V: 전압 F: 페러데이 n: 기체의 몰 수

G: 깁스에너지 E: 기전력(V)

H: 엔탈피 T: 온도 S: 엔트로피

예시)

기체상태의 수소와 산소가 만나 물이 되는 반응이 있을 경우에,

아래의 식을 통해 계산하면 이 반응의 깁스에너지를 구할 수 있다.

깁스에너지를 구하면 기전력을 구할 수 있다. 

단 이 때의 기전력 1.23V의 기전력은 에너지 손실이 전혀 없이 모든 화학에너지가 전기에너지로 이론적으로 변환되었다고 가정했을 때의 값이다.

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3. 표준기전력

두 전극의 전위차가 기전력이며, 용액 중의 이온의 농도가 1M, 1atm일 때의 기전력을 표준기전력이라 정한다.

이라 쓴다.

표준환원 기전력은 환원전극의 기전력에서 산화전극의 기전력을 뺀 값이다.

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4. 표준 전극전위

표준 수소 전극과 환원이 일어나는 반쪽 전지를 결합시켜 만든 전지에서 측정한 전위이다.

용액 중 이온의 농도가 1M, 1atm, 온도가 25℃일 때의 값을 표준으로 삼는데 이를 표준전극전위라 하고 E0라 한다. 표준 환원 전위 값을 통해서 표준 상태에서 특정 전기 화학 반응의 산화-환원정도를 알 수 있으며, 환원 반쪽 반응을 기준으로 전위값을 나타낸다.

환원전극(cathode): 외부 도선으로부터 전자를 받아 환원되는 금속

산화전극(anode): 산화되면서 외부 도선으로 전자를 방출하는 금속

이온화경향과 금속의 반응성

표준전극전위의 값이 작을수록 산화가 잘되므로 이온화 경향이 크다.

(이온화경향이 크다 = 표준환원전위의 값이 작다)