갈바닉 전지

양이온 흐름이 없는 갈바닉 셀

과학자 루이지 갈바니와 알레산드로 볼타의 이름을 딴 갈바닉 셀 또는 볼타 셀은 자연 산화 환원 반응에서 전류가 발생하는 전기 화학 셀이다.공통 장치는 일반적으로 두 개의 다른 금속으로 구성되며, 각 금속 이온이 포함된 개별 비커에 각각 침지되어 소금 브릿지로 연결되거나 다공질 ^[1]막으로 분리된다.

볼타는 최초의 전기 배터리인 볼타 말뚝을 발명했다.일반적으로 "배터리"라는 단어는 하나의 갈바닉 셀을 포함하지만 배터리는 여러 ^[2]셀로 구성되어 있습니다.

역사

1780년, Luigi Galvani는 두 개의 다른 금속 (예: 구리와 아연)이 접촉하고 두 금속이 동시에 개구리 다리 근육의 두 다른 부분에 닿으면, 개구리의 다리가 ^[3]수축한다는 것을 발견했습니다.그는 이것을 "동물 전기"라고 불렀다.개구리의 다리는 전류 검출기일 뿐만 아니라 전해질이기도 했다.

갈바니가 그의 연구를 발표한 지 1년 후, 알레산드로 볼타는 힘 기반 검출기와 소금물에 젖은 종이를 대신 사용하여 개구리가 필요하지 않다는 것을 보여주었다.(일찍이 볼타).mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac .num,.mw-parser-output.sfrac .den{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-par 정전 용량 C의 법칙을 설립하였다.force-based 탐지기를 가지Ser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}Q/V cm이다.1799년 볼타는 금속 디스크, 전해질층, 그리고 다른 금속의 디스크로 이루어진 갈바닉 셀의 스택인 볼타성 말뚝을 발명했다.그는 갈바니의 동물 전기 이론에 ^[4]도전하기 위해 전적으로 비생물학적 재료로 그것을 만들었다.카를로 마테우치는 볼타의 ^[5]대답으로 완전히 생물학적 재료로 배터리를 만들었습니다.Volta의 접촉 전기 뷰는 각 전극의 특성을 우리가 이제 전극의 작업 함수라고 부르는 숫자로 표현했습니다.이러한 견해는 Volta의 더 귀금속에서 H 형성을 포함한₂ 전극-전해질 계면에서의 화학 반응을 무시했습니다.

Volta는 배터리 또는 갈바닉 셀의 작동을 이해하지 못했지만, 이러한 발견으로 인해 전기 배터리의 기반이 마련되었습니다.^[6] Volta의 셀은 1999년에 IEEE 마일스톤으로 지정되었습니다.

약 40년 후, 패러데이는 갈바닉 셀(현재는 볼타성 셀이라고 불리는)이 본질적으로 화학적이라는 것을 보여주었다.패러데이는 화학 언어에 전극(음극과 양극), 전해질, 이온(카티온과 음이온)이라는 새로운 용어를 도입했습니다.따라서 갈바니는 전기 소스(또는 기전력 소스(emf) 또는 emf의 자리)가 동물에 있다고 잘못 생각했고, 볼타는 분리된 전극의 물리적 특성에 있다고 잘못 생각했지만 패러데이는 emf의 소스를 두 전극-전극 계면에서의 화학 반응으로 정확하게 식별했다.볼타세포의 지적 역사에 대한 권위 있는 연구는 오스왈드에 ^[7]의한 것이다.

1940년 빌헬름 쾨니그에 의해 바그다드 배터리로 알려진 물체가 고대 파르티아에서 나온 갈바닉 셀 기술을 나타낼 수 있다고 제안되었다.구연산이나 포도 주스로 채워진 복제물은 전압을 생성하는 것으로 나타났다.그러나 이것이 그것의 목적인지는 확실하지 않다. 다른 학자들은 이것이 양피지 ^[8]두루마리를 보관하는 데 사용된 것으로 알려진 그릇들과 매우 유사하다고 지적했다.

원칙

Zn-Cu 갈바닉 셀의 개략도

갈바닉 셀은 자발적인 산화환원 반응의 연장선이지만, 단지 그 ^[1]반응에서 생성된 에너지를 이용하도록 설계되었다.예를 들어 아연금속(Zn₄)을 황산구리(CuSO) 수용액에 담그면 아연금속 표면에 암색 고체 침전물이 모여 Cu이온의²⁺ 청색 특성이 용액에서 사라진다.아연 금속 표면의 퇴적물은 구리 금속으로 구성되어 있으며, 용액에는 아연 이온이 포함되어 있습니다.이 반응은 다음과 같이 나타납니다.

Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)

이 레독스 반응에서 Zn은 Zn으로²⁺ 산화되고²⁺ Cu는 Cu로 환원된다.전자가 Zn에서 Cu로 직접²⁺ 전달될 때, 반응의 엔탈피는 열로서 주변으로 손실됩니다.하지만, 같은 반응이 갈바닉 셀에서도 수행될 수 있고, 방출되는 화학 에너지의 일부가 전기 에너지로 전환될 수 있습니다.가장 단순한 형태에서, 하프 셀은 용액에 잠긴 고체 금속(전극이라고 함)으로 구성됩니다. 용액에는 전극 금속의 양이온(+)과 양이온 ^[9]전하의 균형을 맞추기 위한 음이온(-)이 포함되어 있습니다.전체 셀은 반투과성 막 또는 더 귀금속 이온이 다른 ^[9]전극에서 플레이팅되는 것을 방지하는 소금 브릿지로 연결된 두 개의 하프 셀로 구성됩니다.

구체적인 예는 다니엘 셀(그림 참조)로, ZnSO₄(아연 황산동) 용액이 포함된 아연(Zn) 하프 셀과 CuSO₄(황산동) 용액이 포함된 구리(Cu) 하프 셀입니다.여기에서는 전기회로를 완성하기 위해 소금다리를 사용한다.

외부 전기 도체가 구리 전극과 아연 전극을 연결하면 아연 전극의 아연이 Zn 이온(산화)으로²⁺ 용해되어 외부 도체로 들어온 전자를 방출한다.증가한 아연 이온 농도를 보상하기 위해, 소금 브릿지를 통해 아연 이온이 떠나고 음이온이 아연 하프 셀로 들어갑니다.구리 하프셀에서는 구리 이온 플레이트가 구리 전극(환원)에 부착되어 외부 도체를 나가는 전자를 흡수합니다.구리 전극 위에 있는²⁺ Cu 이온(카티온) 플레이트는 음극이라고 합니다.이에 대응하여 아연전극은 양극이다.전기화학적 반응은

({displaystyle {Zn(s) + Cu^{2+}(aq) -> Zn^{2+}(aq) + Cu(s)})

이것은 앞의 예와 같은 반응입니다.또한 전자는 외부 도체를 통해 흐릅니다. 외부 도체는 갈바닉 셀의 주요 용도입니다.

셀 전압에서 설명한 바와 같이, 셀의 기전력은 두 전극이 전해액으로 용해되는 상대적 용이성의 척도인 반전지 전위의 차이입니다.emf는 전극과 전해액에 따라 달라지는데, 이는 emf가 본질적으로 화학적임을 나타냅니다.

반반응과 관례

반전지는 두 가지 산화 상태의 금속을 포함한다.분리된 반셀 내부에는 다음과 같이 기호적으로 쓰여진 조건인 산화 환원(redox) 반응이 있다(여기서 "M"은 "n"개의 전자의 손실로 인해 전하 불균형을 가진 원자인 금속 양이온을 나타낸다).

Mⁿ⁺(산화종) + ne⁻ m M(축소종)

갈바닉 셀은 2개의 하프 셀로 구성되어 있으며, 한쪽 하프 셀의 전극은 금속 A로 구성되어 있고, 다른 한쪽 하프 셀의 전극은 금속 B로 구성되어 있습니다.따라서 두 개의 분리된 하프 셀에 대한 산화환원 반응은 다음과 같습니다.

Aⁿ⁺⁻ + ne † A

B^m+ + 나⁻ » B

전체적인 균형 반응은 다음과 같습니다.

m A + n^m+ B n n B + m Aⁿ⁺

즉, 한쪽 반전지의 금속 원자는 산화되고 다른 한쪽 반전지의 금속 양이온은 감소한다.금속을 두 개의 반전지로 분리함으로써, 그들의 반응은 유용한 일을 할 수 있는 외부 회로를 통해 전자의 이동을 강요하는 방식으로 제어될 수 있다.

전극은 반응에 참여하는 전자를 전도하기 위해 금속 와이어로 연결됩니다.

하나의 반전지에서는 용해된 금속-B 양이온이 용액과 금속-B 전극 사이의 계면에서 이용 가능한 자유 전자와 결합한다.그러면 이들 양이온이 중화되어 금속-B 전극의 침전물로서 용액에서 침전되는 과정, 즉 도금이라고 알려진 과정이다.

이 환원 반응은 금속-B 전극, 와이어 및 금속-A 전극 전체의 자유 전자를 금속-B 전극으로 끌어당깁니다.이것에 의해, 금속-A전극의 일부 원자로부터, 금속-B 양이온이 직접 반응하는 것처럼 전자를 떼어내, 그 금속-A 원자는 주위 용액에 용해하는 양이온이 된다.

이 반응이 계속됨에 따라 금속-A 전극을 가진 반셀은 양전하 용액을 개발하고(금속-A 양이온이 녹기 때문에), 다른 반셀은 음전하 용액을 개발합니다(금속-B 양이온이 음이온을 남기고 침전하기 때문에), 이러한 전하 불균형은 줄어들지 않고, 전하 불균형을 막을 수 있습니다.리액션반전지의 용액은 이온이 한 용액에서 다른 용액으로 전달되도록 하는 소금 다리 또는 다공질 판에 의해 연결되며, 이것은 용액의 전하를 균형 있게 하고 반응을 계속하게 한다.

정의:

양극은 산화(전자의 손실)가 발생하는 전극(금속-A 전극)입니다. 갈바닉 셀에서는 산화 발생 시 ^[10]전극에 전자가 남기 때문에 음극입니다.그런 다음 이러한 전자는 외부 회로를 통해 음극(양극)으로 흐릅니다(전기 분해 중에 전류가 전자를 반대 방향으로 구동하고 양극이 양극입니다).
음극은 환원(전자의 이득)이 발생하는 전극입니다(금속-B 전극). 갈바닉 셀에서는 이온이 전극에서 전자를 흡수하여 플레이트 아웃(전기 분해에서 음극은 음극 단자이며 용액에서 양의 이온을 끌어당깁니다).두 경우 모두 '음극이 양이온을 끌어당긴다'는 문장은 참입니다.

갈바닉 전지는 본질적으로 직류를 발생시킨다.웨스턴 셀은 카드뮴 수은 아말감으로 구성된 양극과 순수한 수은으로 구성된 음극이 있습니다.전해질은 황산카드뮴의 (포화) 용액이다.탈분극제는 수은성 황산염 페이스트입니다.전해질 용액이 포화 상태일 때, 셀의 전압은 매우 재현 가능하기 때문에, 1911년에 전압에 대한 국제 표준으로 채택되었습니다.

배터리는 함께 연결되어 단일 전압원을 형성하는 갈바닉 셀 세트입니다.예를 들어, 일반적인 12V 납-산 배터리는 6개의 갈바닉 셀과 납으로 구성된 양극과 황산에 담근 이산화납으로 구성된 음극이 직렬로 연결되어 있습니다.예를 들어 사용자의 전화기에 중앙 사무실 전원을 공급하는 전화 교환기의 대형 배터리실에는 직렬 및 병렬로 모두 셀이 연결되어 있을 수 있습니다.

셀 전압

갈바닉 셀에 의해 생성되는 전압(기전력^o E)은 다음과 같이 전기화학 반응의 표준 Gibbs 자유 에너지 변화로부터 추정할 수 있다.

\displaystyle E_{\text{cell}^{o}=-\Delta _{r}G^{o}/(\nu _{e}F)}

여기서 δ는_e 균형 반작용에서 전달된 전자의 수이고 F는 패러데이의 상수이다.단, 관련된 2개의 반전지에 대한 표준 전위표를 사용함으로써 보다 편리하게 판정할 수 있다.첫 번째 단계는 세포에서 반응하는 두 금속과 이온을 확인하는 것입니다.그런 다음 두 반작용 각각에^o 대해 표준 전극 전위 E(볼트)를 찾아봅니다.셀의 표준 전위는 양의 E^o 값에서 음의^o E 값을 뺀 값과 같습니다.

예를 들어 위 그림에서 솔루션은 CuSO와₄ ZnSO입니다₄.각 용액에는 대응하는 금속 스트립과 두 용액을 연결하여 구리 용액과 아연 용액 사이를 SO 이온이 자유롭게 흐를 수 있도록 하는²⁻
₄ 소금 브릿지 또는 다공질 디스크가 있습니다.표준 전위를 계산하기 위해 구리와 아연의 반반응을 검색하고 다음을 찾습니다.

Cu²⁺ + 2 e⁻
† Cu^o E = +0.34 V

Zn²⁺ + 2 e⁻
† Zn^o E = -0.76 V

따라서 전체적인 반응은 다음과 같습니다.

Cu²⁺ + Zn † Cu + Zn²⁺

반응의 표준 전위는 +0.34V - (-0.76V) = 1.10V입니다.셀의 극성은 다음과 같이 결정됩니다.아연 금속은 구리 금속보다 더 강하게 환원되는데, 아연의 표준(환원) 전위가 구리보다 더 부정적이기 때문입니다.따라서 아연 금속은 구리 이온에 전자를 잃고 양의 전하를 발생시킵니다.셀에 대한 평형 상수 K는 다음과 같이 주어진다.

{\displaystyle\ln K=blac\nu_{e}FE_{\text{cell}}^{o}}{RT}}}

여기서 F는 패러데이 상수, R은 기체 상수, T는 켈빈 단위의 온도이다.다니엘 셀 K는 약 1.5×10이다³⁷.따라서 평형상태에서는 전극을 ^[11]충전시키기에 충분한 수의 전자가 전달된다.

용질이 표준 상태에 있지 않을 가능성이 높기 때문에 실제 반전지 전위는 네른스트 방정식을 사용하여 계산해야 합니다.

\displaystyle E_{\text{half-cell}=E^{o}-{\frac {RT}{\nu _{e}F}}\ln _{e}Q}

여기서 Q는 반응 지수입니다.반응에서 이온의 전하가 같으면 다음과 같이 단순해집니다.

\displaystyle E_{\text{half-cell}=E^{o}-2.303{\frac {RT}{\nu _{e}F}}\log _{10}\left\{\text{\text}M}}^{n+}\right\}

여기서 {Mⁿ⁺}은 용액에 있는 금속 이온의 활성입니다.실제로 활성 대신 mol/L 농도를 사용한다.금속 전극은 표준 상태이므로 정의상 단위 활성도가 있습니다.전체 셀의 전위는 두 하프 셀의 전위차로 구해지므로 용해된 금속 이온의 농도에 따라 달라집니다.농도가 같으면 $E_{\text{cell}}=E_{\text{cell}}^{o}$ cell $=$ $E_{\text{cell}}=E_{\text{cell}}^{o}$ $E_{\text{cell}}=E_{\text{cell}}^{o}$ { $displaystyle E_{\text{cell}=$ E_{\text $E_{\text{cell}}=E_{\text{cell}}^{o}$ {cell}^{ $o}}$ 이며, 여기서 가정한 조건에서는 Nernst 방정식은 필요하지 않다.

2.303R/F의 값은 1.9845×10V⁻⁴/K이므로 25°C(298.15K)에서 금속 이온의 농도가 10배 증가하거나 감소하면 반전지 전위는 0.05918V/µ만_e 변화합니다.

\displaystyle E_{\text {half-cell}=E^{o}-{\frac {0.05918\\text{text}V}}{\nu _{e}}\log _{10}\left[{\text{}M}}:^{n+}\right]}

이러한 계산은 모든 화학 반응이 평형 상태에 있다는 가정에 기초한다.회로에 전류가 흐르면 평형 상태가 달성되지 않으며, 일반적으로 과전위 ^[12]발생과 같은 다양한 메커니즘에 의해 셀 전압이 감소합니다.또, 셀이 전력을 생산하고 있을 때에 화학 반응이 일어나기 때문에, 전해질 농도가 변화해, 셀 전압이 저하한다.표준 전위의 온도 의존성의 결과로 갈바닉 셀에 의해 생성되는 전압도 온도에 의존합니다.

갈바닉 부식

갈바닉 부식은 금속의 전기 화학적 침식이다.부식은 소금물과 같은 전해질이 있는 상태에서 두 개의 이종 금속이 서로 접촉할 때 발생합니다.이것은 갈바닉 전지를 형성하고, 수소 가스는 더 귀한(활성이 낮은) 금속에 형성됩니다.그 결과 발생하는 전기화학적 전위는 전류를 발생시켜 덜 귀한 물질을 전해 용해시킵니다.같은 금속이 2개의 다른 농도의 전해질에 노출되면 농도 셀을 형성할 수 있다.

종류들

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

MiniScience.com에서 갈바닉 셀 배터리를 구축하는 방법
갈바닉 셀, 애니메이션
갈바닉 셀의 인터랙티브 애니메이션.아이오와 주립 대학의 화학 교육 연구 그룹입니다.
GALVANIc 세포에서 전자 전달 반응 및 산화 환원 전위 - 위상 경계에서 이온에 일어나는 일(NERNST, FARDAY) (TIB AV-Portal에서 SciFox의 비디오)

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[2] "배터리" (def. 4b), 메리엄 웹스터 온라인 사전 (2008).2008년 8월 6일 취득.

[3] Keithley, Joseph F (1999). Daniell Cell. John Wiley and Sons. pp. 49–51. ISBN 978-0-7803-1193-0.

[4] Kipnis, Nahum(2003) "이론 변경: 볼타의 접촉 전기의 경우", 누오바 볼티아나, 제5권.파비아 대학교, 2003 ISBN 88-203-3273-6. 페이지 144-146

[5] 클라크, 에드윈; 캘리포니아 대학 출판부, L. S.(1992) 신경과학 개념의 19세기 기원.ISBN 0-520-07879-9. 페이지 199

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v t 갈바닉 셀
종류들	볼타성 말뚝 배터리 플로우 배터리 수조 배터리 농축 셀 연료 전지 서모갈바닉 전지
프라이머리 셀 (포함 불가)	알칼리성 알루미늄-공기 분젠 크롬산 클라크였다. 다니엘 마른 에디슨-랄랑드 그루브 르클랑제 리튬 리튬-공기 수성. 금속 공기 전지 옥시수산화니켈 실리콘 공기 산화은 웨스턴 잠보니 아연-공기 아연-탄소
2차 전지 (비활성화 가능)	자동차 납-산 겔 / VRA 리튬-공기 리튬 이온 리튬-폴리머 리튬-철-인산 리튬-티탄산염 리튬-황 듀얼 카본 금속-공기 배터리 용융염 나노포어 나노와이어 니켈 카드뮴 니켈-수소 니켈-철 니켈-리튬 니켈-금속 수소화물 니켈-아연 폴리황화 브롬화물 칼륨 이온 충전식 알칼리성 은-아연 은카드뮴 나트륨 이온 나트륨-황 솔리드 스테이트 바나듐 산화환원 아연-브로민 아연-세륨
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