화학 고3 산화·환원 반응 심화

표준 환원 전위

Q: E가 양수면 반드시 반응이 빨리 일어나나요?

아닙니다. E가 양수라는 것은 '저절로 일어날 수 있다'는 뜻이지 '빠르다'는 뜻이 아닙니다. 자발성과 반응 속도는 별개입니다. 실제로 자발적이지만 아주 느려서 눈에 보이지 않는 반응도 많습니다.

표준 조건에서 반쪽 전지의 환원 경향을 수소 전극 기준으로 나타낸 전압으로, 전지 기전력 계산에 쓰인다. 진로선택 「화학 반응의 세계」 소속.

표준 상태에서 어떤 반쪽 전지가 전자를 받아 환원되려는 경향을, 표준 수소 전극을

0 V

로 놓고 상대적으로 나타낸 전압입니다.

해발 고도와 같습니다. '해수면'을 0 m로 정해 두었기 때문에 산의 높이를 서로 비교할 수 있듯, 수소 전극을 0 V로 정해 두었기 때문에 어떤 금속이 더 환원되고 싶어 하는지를 숫자로 비교할 수 있습니다.

쉽게 말하면

반쪽 전지 하나의 전위는 절대적으로 잴 수 없습니다. 전압계는 언제나 두 지점의 전위차만 읽기 때문에, 전극 하나만 담가서는 눈금이 나오지 않습니다. 그래서 기준점을 하나 정해 두고 모두 그것과 비교합니다. 그 기준이 표준 수소 전극이고, 그 값을 정확히 $0 V$ 로 약속했습니다.

표준 상태란 용액의 이온 농도가 $1 M$ , 기체의 압력이 $1 atm$ , 온도가 $25^{\circ} C$ 인 조건입니다. 이 조건에서 잰 환원 반쪽 반응의 전위를 표준 환원 전위 $E^{\circ}$ 라 하고, 모든 반쪽 반응을 '환원' 방향으로 통일해서 적어 놓은 표가 표준 환원 전위표입니다.

$E^{\circ}$ 가 클수록 전자를 잘 받아들입니다. 즉 산화제로서 강합니다. 반대로 $E^{\circ}$ 가 작을(음수일) 수록 오히려 전자를 내놓고 싶어 하므로, 그 물질의 환원된 형태는 좋은 환원제입니다. 아연은 $E^{\circ}$ 가 음수라 잘 녹고, 구리는 양수라 이온 상태에서 금속으로 잘 석출됩니다.

두 반쪽을 골라 전기화학 전지를 만들면, 기전력은 두 표준 환원 전위의 차입니다.

$E_{전지}^{\circ} = E_{환원 전극}^{\circ} - E_{산화 전극}^{\circ}$

이 값이 양수면 그 반응은 표준 상태에서 저절로 일어납니다. 음수라면 반대 방향이 자발적이라는 뜻이고, 그 방향으로 억지로 밀려면 외부 전원이 필요합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

아연과 구리의 표준 환원 전위

$Z n^{2 +} + 2 e^{-} C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Zn E^{\circ} = - 0.76 V \to Cu E^{\circ} = + 0.34 V$

구리 쪽 값이 더 크므로 구리가 환원 전극, 아연이 산화 전극입니다. 기전력은 $0.34 - (- 0.76) = 1.10 V$ 이고, 실제 다니엘 전지의 전압과 일치합니다.
예시 2

반응이 저절로 일어날지 판단하기

구리판을 아연 이온 용액에 담그면 어떻게 될까요? 이 경우 구리가 산화 전극이 되어야 하므로 $E_{전지}^{\circ} = - 0.76 - 0.34 = - 1.10 V$ , 음수입니다. 따라서 아무 일도 일어나지 않습니다. 반대로 아연판을 구리 이온 용액에 담그면 $+ 1.10 V$ 로 자발적이라 아연이 녹고 구리가 석출됩니다.
예시 3

반응식을 두 배로 써도 전위는 그대로

$2 C u^{2 +} + 4 e^{-} \to 2 Cu E^{\circ} = + 0.34 V$

계수를 두 배로 했지만 $E^{\circ}$ 는 여전히 $+ 0.34 V$ 입니다. 전위는 '전자 하나를 끌어당기는 세기'에 관한 값이라 반응의 양과 무관합니다. 물을 두 배로 부어도 물의 끓는점이 변하지 않는 것과 같은 이치입니다.

순서대로 하면

표준 환원 전위표로 전지 설계하기

1두 반쪽 반응을 표에서 찾아 $E^{\circ}$ 값을 적습니다. 둘 다 환원 방향으로 적혀 있는지 확인합니다.
2 $E^{\circ}$ 가 더 큰 쪽이 환원 전극( $+$ 극), 더 작은 쪽이 산화 전극( $-$ 극)입니다.
3산화 전극의 반쪽 반응은 방향을 뒤집어 씁니다. 이때 $E^{\circ}$ 의 부호도 뒤집힙니다.
4 $E_{전지}^{\circ} = E_{환원 전극}^{\circ} - E_{산화 전극}^{\circ}$ 으로 기전력을 구합니다. 두 값 모두 표에 적힌 환원 전위를 그대로 씁니다.
5전자 수를 맞추어 두 반쪽을 합쳐 전체 반응식을 완성합니다. 이때 $E^{\circ}$ 에는 어떤 계수도 곱하지 않습니다.

자주 하는 오해

전자 수를 맞추느라 전위에도 계수를 곱하기

이렇게 생각하기 쉬움

A g^{+} + e^{-} \to Ag

(

E^{\circ} = + 0.80 V

)에 2를 곱했으니 전위는

+ 1.60 V

실제로는몇 배를 곱하든

E^{\circ}

는

+ 0.80 V

그대로입니다.

전위는 질량이나 몰수처럼 '양'에 비례하는 값이 아니라, 온도나 압력처럼 양과 무관한 세기 성질입니다. 은판을 두 배로 크게 만든다고 건전지 전압이 두 배가 되지 않는 것과 같습니다. 전자 수를 맞추는 것은 반응식과 전기량 계산에만 필요합니다.

산화 전극의 전위 부호를 뒤집고 또 빼기

이렇게 생각하기 쉬움아연이 산화되니

E^{\circ} = + 0.76 V

로 바꾼 다음,

E_{전지}^{\circ} = 0.34 - 0.76 = - 0.42 V

실제로는

E_{전지}^{\circ} = E_{환원 전극}^{\circ} - E_{산화 전극}^{\circ}

공식에는 표에 적힌 환원 전위를 그대로 넣습니다.

0.34 - (- 0.76) = + 1.10 V

입니다.

이 공식의 뺄셈 기호가 이미 '방향 뒤집기'를 대신 해 주고 있습니다. 부호를 뒤집은 값을 다시 빼면 두 번 뒤집는 셈이 됩니다. 뒤집은 값을 쓰려면 뺄셈이 아니라 덧셈(

+ 0.76 + 0.34

)을 해야 하는데, 두 방법 중 하나만 골라 끝까지 일관되게 쓰세요.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

없음 — 이 개념이 출발점입니다

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

금속 부식고3 전기화학 전지고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

전위와 전위차고2

같은 단원의 개념 — 산화·환원 반응

금속 부식고3 다니엘 전지고3 반쪽 반응식과 산화환원 균형고3 연료 전지고3 전기 분해고3 전기화학 전지고3 패러데이 법칙고3

자주 묻는 질문

Q1왜 하필 수소를 기준으로 삼았나요?

기준은 어디로 잡아도 상관없습니다. 어차피 우리가 재는 것은 두 전극의 '차'이므로, 기준점을 어디에 두든 전지의 기전력은 똑같이 나옵니다. 수소 전극은 재현하기 쉽고 여러 조건에서 안정적이어서 국제적으로 약속된 기준이 되었습니다.

E^{\circ}

가 양수면 반드시 반응이 빨리 일어나나요?

아닙니다.

E^{\circ}

가 양수라는 것은 '저절로 일어날 수 있다'는 뜻이지 '빠르다'는 뜻이 아닙니다. 자발성과 반응 속도는 별개입니다. 실제로 자발적이지만 아주 느려서 눈에 보이지 않는 반응도 많습니다.

Q3표준 상태가 아니면 전위는 어떻게 되나요?

농도가 달라지면 전위도 달라집니다. 반응물 농도가 높으면 전위가 커지고, 생성물이 쌓이면 작아집니다. 전지를 계속 쓰면 전압이 서서히 떨어지는 것이 바로 이 때문이고, 반응이 평형에 도달하면 전압은 0이 됩니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 산화·환원 반응 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

오류 신고하기

이 전위표로 실제 전지를 만들면 전기화학 전지가 되고, 전위가 낮은 금속이 저절로 녹는 현상이 금속 부식입니다.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

표준 환원 전위 지도에서 확인하기 →