개념 한 쪽
전기분석법은 전극과 전위, 전류, 전하량 등을 측정하거나 이용하여 화학종의 존재와 농도를 분석하는 기법군이다. 여러 방법은 측정 대상(전위, 전류, 무게, 전도도)에 따라 구별되고, 각 방법은 적합한 전극과 측정 원리를 필요로 한다.
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출제기준 단원 「전기분석법 기초이론」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 산염기 전위차 전극 조합 판단 | 1 | 산·염기 적정에 적합한 지시전극과 기준전극을 고르는 능력 |
| pH미터 원리 이해 | 1 | 유리전극과 기준전극 사이 전위차를 이용한 pH 측정 원리를 묻는 능력 |
| 폴라로그래피 정성 분석 지식 | 1 | 폴라로그램의 반파전위가 정성분석에 쓰이는 이유를 묻는 능력 |
전극전위는 금속과 그 금속 이온을 포함한 용액 사이에 형성되는 고유한 전압 차이를 의미한다. 금속을 해당 이온 용액에 넣으면 표면에서 이온의 용출과 흡착이 일어나 전위가 형성되며, 이 전위를 전극전위라 부른다. 전지 전체의 전위차와 구별하여, 단일 전극과 용액 사이의 평형 전위를 말한다.
전위차법에서는 지시전극과 기준전극을 짝지어 전위차를 측정한다. 산·염기 분석에서는 수소 이온 활동도에 반응하는 유리전극을 지시전극으로 사용하고, 일정한 전위를 제공하는 포화 칼로멜 전극이나 Ag/AgCl 전극을 기준전극으로 사용한다. pH미터의 기본 원리는 이들 전극 사이의 전위차를 네른스트 식에 따라 해석하여 수소 이온 농도를 산출하는 것이다.
전류를 측정하는 전기분석법에는 여러 기법이 있다. 폴라로그래피(또는 폴라로그래피 관련 용어)는 쉽게 분극되는 작은 작동전극과 상대적으로 안정한 대극을 짝지어 전극 간에 시간이 지남에 따라 점진적으로 변화하는 전위를 인가하여 전해로 생긴 전류를 측정하고 전류-전압 곡선(폴라로그램)을 얻어 해석하는 방법이다. 폴라로그램의 반파전위는 물질 고유의 값이므로 정성분석에 이용하고, 확산전류나 한계전류는 농도에 비례하여 정량분석에 이용한다.
전해무게분석법은 시료 용액에 전극을 담가 전기를 흘려 음극에 금속을 도금하고, 전후의 음극 무게 차이로 분석 대상 금속의 양을 구하는 방법이다. 전기량법은 흐른 전하량(전류×시간)을 이용하여 정량하는 방법이며, 전도도법은 용액 내 이온의 종류와 농도, 각 이온의 이동도에 따라 달라지는 전기전도도를 측정하는 방법이다. 전도도는 동일한 값이라도 조성이나 농도가 다를 수 있음을 주의해야 한다.
비점도 계산 예: 오스트발트 점도계로 25℃에서 물의 흐름 시간이 20초, 에탄올 수용액의 흐름 시간이 56초이며, 물 밀도 0.999 g/cm3, 에탄올 밀도 0.887 g/cm3 일 때 비점도는 다음 공식으로 계산한다. 비점도 = (시료 밀도 × 시료 흐름 시간) ÷ (물 밀도 × 물 흐름 시간). 값을 대입하면 (0.887 × 56) ÷ (0.999 × 20) ≈ 2.49 이므로 에탄올 수용액의 비점도는 약 2.49라고 판정한다.
폴라로그래피 관련 이해 예: 폴라로그래피 측정에서 얻은 폴라로그램의 반파전위(E1/2)는 특정 이온의 고유 전위값이므로 미지 물질의 정성 식별에 이용한다. 반면 한계전류나 확산전류는 농도에 비례하므로 농도 결정에 활용한다.
산과 염기의 농도 분석을 전위차법으로 할 때 사용하는 전극은?
정답 ① · 산과 염기의 농도를 전위차법(pH 측정)으로 분석할 때는 기준전극으로 포화 칼로멜 전극을, 지시전극(측정전극)으로 pH에 민감한 유리전극을 사용한다. 은전극이나 백금전극은 산화환원 적정 등 다른 목적에 주로 사용되며 산염기 전위차 측정에는 유리전극 조합이 표준이다.
산염기 전위차 측정은 pH에 민감한 유리 전극을 지시전극으로, 안정된 전위를 제공하는 포화 칼로멜 전극을 기준전극으로 조합하여 사용한다.
pH미터의 측정원리에 대한 설명으로 맞는 것은?
정답 ③ · pH미터는 유리전극과 비교전극(기준전극) 사이에 발생하는 전위차를 측정하여 이를 pH값으로 환산하는 전위차법 기기이다. 탄소전극의 전기저항이나 수은전극의 전해전류는 pH 측정 원리와 무관하며, 백금전극은 유리전극과 짝을 이루는 전형적 비교전극이 아니므로 ④도 오답이다.
pH미터는 유리전극과 기준전극 사이의 전위차(네른스트 식)를 측정하여 pH를 결정한다.
폴라로그래피에서 얻은 폴라로그램 중 어느 것을 정성분석에 이용하는가?
정답 ③ · 폴라로그래피에서 얻어지는 폴라로그램에서 반파전위(half-wave potential, E1/2)는 각 이온이나 화학종마다 고유한 값을 가지므로 정성분석(어떤 물질인지 식별)에 이용된다. 반면 확산전류(한계전류에서 잔류전류를 뺀 값)는 농도에 비례하므로 정량분석에 이용된다.
폴라로그램에서 반파 전위는 물질 고유의 값이므로 정성분석에 이용된다.
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