1-2. 전기화학 기초 (산화, 환원, 페러데이 법칙)

표면처리의 원리를 이해하기 위해서는 전기화학의 기본적인 이론은 이해하고 있어야 합니다.

이번 페이지에서는 전해질에서의 산화와 환원 반응과 흐르는 전류의 양과 석출되는 금속의 양은 비례한다는 페러데이 법칙에 대해 알아 보겠습니다.

전해질에서의 산화와 환원 반응 

 아래 그림과 같이 황산5% 수용액에 백금 전극에 직류 전원은 걸어주면 양극과 음극의 반응은 다음과 같습니다.

 

물의 전기분해

양극반응 / Anode (산화반응)

  2OH^- → 1/2O₂ ↑ + H₂O + 2e^-

음극반응 / Cathode (환원반응)

 2H₂O + 2e^- → H2 ↑ + 2OH^-

<Tip>
● 전해질의 역활은 물에 이온으로 녹아 전하를 운반, 순수 물은 이온이 없어 반응이 일어나지 않는다
● 양극에서 전자를 내어주고 : 산화반응 (양극)
● 음극에서 전자를 얻어 수소 Gas 발생 : 환원반응 (음극)

 

페러데이(Faraday)의 법칙 

 전기분해에서 석출 또는 용해되는 물질의 양은 전기량에 비례한다
 같은 전기량에 석출 또는 용해되는 각각의 물질의 양은 각각 물질의 화학당량에 비례 한다.

1g 당량을 석출/용해 하는데 필요한 전기량 = 1F
1F = 96,500C
1C = 1A x S
1F = 96,500C / (60s / 60min)=  26.80Ah

페러데이 법칙-1

w = 전극상에 석출/용해 되는 물질의 질량 [g]

I = 전류의 세기 [A]

t = 전류가 흐른 시간 [S]

I x t = 1C ; 전류 x 시간 = 전기의 량

 

e_g= 석출/용해 되는 물질의 당량, 즉 페러데이 상수 (M / lZl)

F = 페러데이 상수 ( 1F = 6.02 x 10^23개의 전자) : 1F 흘리면 1mol/g 반응,
                                                                               : 1mol/g 석출하려면 1가 원자는 1F, 2가 원자는 2F 필요

페러데이 법칙-2

L= 6.02X10²³ /mol

e = 전자 1개의 전하량 (1.062 x 10^-19C)

F ≒ 96,500 C/mol : (6.02X10^23 /mol) x (1.062 x 10^-19C)

동(구리)도금을 예로 들어 보자.... (구리의 원자량 : 63.546 / 1C =96,500F)

동은 1C의 전기량에 의해 석출되는 동의 양은 =  63.546 / 96,500 = 0.000658g
1C = 1A*s로 짧은 시간이라 석출량이 미비 합니다. 그래서 현업에서는 Ah 단위를 사용합니다.
1Ah에 따른 용해/석출되는 양을 전기화학당량 이라고 하며 단위에 따라 mg/C, g/Ah, g/F 표기합니다. 

 

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연습문제 (정답은 드레그 하면 나옵니다.)

 1. 전기화학당량 0.001118mg/C 의 무게는?
   - 0.001118mg/C x 96,500C =  107.887

 2. 구리 (원자량 : 63.54, 원자가 2)의 1C에 대한 석출량은 ?
  - 63.54 / 2 = 31.77g  ; 구리의 석출량

 3. 크롬 (원자량 : 52, 원자가 3가)  용액의 전기도금 장치에서 7.60 A의 전류를 2일 동안 흘려주었다면 도금된 크롬의 질량은 얼마인가? 

 - 반응식 : Cr⁺³ + e^-3 → Cr  : 반응에 전자 3mol이 이동
 - 석출량(w) : 전류 X 시간 x ( e_g/F )  
                    :7.60A x 172,800s x {(52g/mol / 3mol) / (96,500C)} = 235.89g

- 2일 = 48hr = 2,880min = 172,800s
- 1C = 1A*S

 4. 구리 (원자량 : 64, 원자가 2가) 용액의 전기도금 장치에서 10A를 10시간 흘려 줄때 석출 된 구리의 질량은?
 
석출된 질량 (w) = 전류 x 시간 x (Eg / F)
                           = 10A x 36,000s x {(64g/mon / 2mol )/ 96,500C)} = 119.38g
  - 31.77g / 96,500c = 0.00360329g = 0.33mg
5.  물을 전기분해하는 전해셀에서 12시간 동안 0.5kg 물을 분해할 때 통과한 셀의 전류는? (ISBN 10 XX00253912)

 : 페러데이 법칙이용 W(g) = I (A) x S(s) x Eg  / F (96,500C)
   w : 500g
   A : ?
   S : 43,200s
  물 1mol : 18g  (수소 1g x 2  + 산소O = 16g) 
  물 1mol 전기분해 필요한 전하량 2F ; 이부분은 이해가 필요
 정답 : 약 124.10A

6. 황산 수용액을 백금전극으로 전기 분해를 설명하라 (ISBN 10 XX00253912)



6-1. 이때 25도 1.013x10^5 N/m2에서 1시간 50분, 2.45A의 전류를 통과하면 전해생성물 (ISBN 10 XX00253912)


7. Ni2+ 도금조에서 도금을 13분간 진행, 도금 후 무게는 1.35g 늘었다. 도금조와 직렬로 연결한 동전기량계의 cathodedml 무게는 1.531g 증가하였다. 전류값이 일정할 때 흐르는 전류의 양(A)은 ? 도금시 전류 효율은 얼마 인가? (ISBN 10 XX00253912)

 - 구리의 전기 계량기의 전류를 구하기 (단, 효율 100%) 

 - 위 전류로 니켈에 사용된 전류량과 효율 구하기.