몰랐던 수소 전극의 비밀: 0.00V의 의미와 숨겨진 이야기 (electric potential, standard hydrogen electrode, galvanic cell, reduction potential, half cell, reference electrode, battery science, electrochemical energy, working electrode, counter electrode)

질문 요약

표준 수소 전극 (SHE)의 potential이 0.00V라는 것이 electric potential을 의미하나요? 또한, 수소전극의 counter electrode는 무엇인가요? SHE의 potential이 0.00V라는 의미는 뭔가요?

답변 요약

1. 전해질에 전극을 담그면 에너지가 생성되고, 이를 전기적 potential로 정량화합니다. SHE의 potential을 0V로 정한 것은 다른 전극의 에너지를 비교하기 위한 기준입니다. 2. 수소전극은 half electrode이고, 원하는 임의의 전극을 counter electrode로 사용할 수 있습니다. 에너지는 상대적이기 때문에, 수소전극의 potential을 0V로 정해 다른 전극과 비교할 수 있습니다.

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질문: 교수님, 표준 수소 전극 (SHE)의 potential이 0.00V라는 것이 electric potential을 의미하나요? 또한, 수소전극의 counter electrode는 무엇인가요? SHE의 potential이 0.00V라는 의미는 뭔가요?

답변:

1. 전해질에 전극을 담그면 에너지가 생성되고, 이를 전기적 potential로 정량화합니다. 표준 수소 전극(SHE)의 potential을 0V로 정한 것은 다른 전극의 에너지를 비교하기 위한 기준입니다.
2. 수소전극은 half electrode이고, 원하는 임의의 전극을 counter electrode로 사용할 수 있습니다. 에너지는 상대적이기 때문에, 수소전극의 potential을 0V로 정해 다른 전극과 비교할 수 있습니다.

수소전극(SHE)의 전기적 포텐셜

표준 수소 전극(standard hydrogen electrode, SHE)은 전기화학에서 매우 중요한 기준 전극입니다. 전극의 potential을 측정할 때, SHE를 기준으로 사용하여 다른 전극의 potential을 비교합니다. SHE의 potential을 0.00V로 정하는 이유는 전극의 전기적 포텐셜을 측정하는 데 있어 간단하고 일관된 기준이 필요하기 때문입니다.

전기적 포텐셜은 전극과 전해질 사이에 형성된 전위차를 의미합니다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같습니다:

$$ E = \frac{RT}{nF} \ln \frac{a_{\text{Red}}}{a_{\text{Ox}}} $$

여기서:

• \( E \): 전기적 포텐셜
• \( R \): 기체 상수
• \( T \): 절대 온도
• \( n \): 전자 수
• \( F \): 패러데이 상수
• \( a_{\text{Red}} \): 환원종의 활성도
• \( a_{\text{Ox}} \): 산화종의 활성도

표준 수소 전극의 구성

표준 수소 전극은 일반적으로 다음 요소로 구성됩니다:

• 플래티넘 전극
• 1M 농도의 염산 용액에 담긴 수소 기체
• 수소 기체의 기압은 1기압

이러한 조건 하에서 수소 기체는 플래티넘 전극에서 흡착 및 탈착 과정을 거치며 다음 반응을 일으킵니다:

$$ 2H^+ + 2e^- \rightleftharpoons H_2(g) $$

Counter Electrode의 역할

수소전극은 half-cell 전극이기 때문에, 전기화학 셀을 구성하기 위해서는 반대편에 counter electrode가 필요합니다. Counter electrode는 수소전극과 함께 전기화학 반응을 이루어 전기적 포텐셜을 측정합니다. 예를 들어, 다음과 같은 전기화학 셀이 구성될 수 있습니다:

• Reference Electrode: 표준 수소 전극 (SHE)
• Counter Electrode: 임의의 금속 전극, 예를 들어 구리 전극 (Cu)

이 경우, 측정하고자 하는 전극의 전기적 포텐셜은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다:

$$ E_{\text{cell}} = E_{\text{Cu}} - E_{\text{SHE}} $$

여기서 \( E_{\text{SHE}} = 0V \) 이므로 측정된 셀 포텐셜은 구리 전극의 포텐셜이 됩니다.

결론

표준 수소 전극(SHE)의 potential을 0.00V로 정하는 것은 전기화학에서 다른 전극의 에너지를 비교하기 위한 기준점을 설정하는 것입니다. 이는 전기적 포텐셜을 상대적으로 측정하는 데 매우 유용하며, 수소전극은 half-cell로서 다양한 counter electrode와 함께 사용될 수 있습니다. 이러한 표준화된 시스템 덕분에 전기화학 측정이 더욱 일관되고 신뢰성 있게 이루어질 수 있습니다.

참고 자료

• Wikipedia - Standard Hydrogen Electrode
• ChemLibreTexts - Reference Electrodes

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