환 경 화 학

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 1

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

충북대학교 환경공학과

담당교수: 임동희 교수, E8-10동 803호

E-mail: [email protected]

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 2

학습 목표

제3장 물 화학에서 산화-환원 반응 (On-line class: Ch.3-1)

 산화-환원 반응식

 반쪽 반응과 환원 전위

(중요 개념 정리)

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 3

산화-환원 반응식

(Reduction-Oxidation (Redox) Reaction)

Sodium fluoride (NaF)

Na loses its outer electron (e^-) Thee^-enters F atom exothermically Na⁺and F^-are then attracted

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 4

산화-환원 반응식

(Reduction-Oxidation (Redox) Reaction)

Sodium fluoride (NaF)

Na loses its outer electron (e^-)

L

E

O

 Just remember: “LEO the lion king”

What is oxidation? What is reduction?

Na Na

F F

e^- e^-

e^- e^- Oxidation

Reduction

oxidized

reduced 환원제

산화제

Thee^-enters F atom exothermically Na⁺and F^-are then attracted

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 5

전기음성도

두 원자가 공유 결합되어 있는 분자에서, 어떤 원자가 공유전자쌍을 더욱 강하게 끌어당기느냐를 가지고 측정된 상대적인 값 (기준 = F: 3.980 in Pauling scale)

Modified fromwww.mpe.go.kr

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 6

How to balance charge

1. Write the skeleton equation MnO₄^ Fe^2 H^  Fe^3 Mn^2 H₂O

산화-환원 반응식 계수 완성

Fundamental rules

1) 산화는 환원반응과 반드시

동시에

2) 얻은 전자의 수는 잃은 전자의 수와

동일하다

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 7

How to balance charge

1. Write the skeleton equation MnO₄^ Fe^2 H^  Fe^3 Mn^2 H₂O

2. Balance the gain and loss of electrons a. oxidation state: O^2-, H¹⁺

b. electron gain = electron lost

(Mn) + 4(-2) = -1

 Mn⁷⁺ 5e gain 1e loss

산화-환원 반응식 계수 완성

Fundamental rules

1) 산화는 환원반응과 반드시

동시에

2) 얻은 전자의 수는 잃은 전자의 수와

동일하다

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 8

How to balance charge

1. Write the skeleton equation MnO₄^ Fe^2 H^  Fe^3 Mn^2 H₂O

2. Balance the gain and loss of electrons a. oxidation state: O^2-, H¹⁺

b. electron gain = electron lost

(Mn) + 4(-2) = -1

 Mn⁷⁺ 5e gain 1e loss

O H Mn

Fe H

Fe

MnO₄^ 

5

5

3. Complete the equation by

adjusting the number of O and H

At left: 4 O atom 4H₂O At right: 8 H atom 8H⁺

O H Mn

Fe H

Fe

MnO₄^ 

5

5

산화-환원 반응식 계수 완성

Fundamental rules

1) 산화는 환원반응과 반드시

동시에

2) 얻은 전자의 수는 잃은 전자의 수와

동일하다

반쪽 반응(Half Reactions) (Redox Table)

Development of complex oxidation-reduction reactions

9

더욱강력한산화제 더욱강력한환원제

반쪽 반응(Half Reactions) (Redox Table)

Development of complex oxidation-reduction reactions

더욱강력한산화제 더욱강력한환원제

10

Development of complex oxidation-reduction reactions

 얼마나 전자와

상호작용을 잘하는가?

(+):e affinity 

Reduction Potential (E⁰)

더욱강력한산화제 더욱강력한환원제

반쪽 반응(Half Reactions) (Redox Table)

11

Development of complex oxidation-reduction reactions

 얼마나 전자와

상호작용을 잘하는가?

(+):e affinity 

 수소에 상대적인 값

 E⁰: at standard conditions (25°C, 1 atm)

Reduction Potential (E⁰)

더욱강력한산화제 더욱강력한환원제

반쪽 반응(Half Reactions) (Redox Table)

12

Development of complex oxidation-reduction reactions

The higher the reduction potential (E⁰) (e.g., O₂ and Cl₂),

the more easily the substance is reduced  breaking down organic pollutants Organics By-products

유기물질의 분해 과정

더욱강력한산화제 더욱강력한환원제

반쪽 반응(Half Reactions) (Redox Table)

O₂  E⁰= 1.23 V Cl₂  E⁰ = 1.36 V MnO₄^‒ E⁰= 1.51 V

13

Development of complex oxidation-reduction reactions

The higher the reduction potential (E⁰) (e.g., O₂ and Cl₂),

the more easily the substance is reduced  breaking down organic pollutants Organics By-products

유기물질의 분해 과정 e^-

e^-

O₂, Cl₂

더욱강력한산화제 더욱강력한환원제

반쪽 반응(Half Reactions) (Redox Table)

O₂  E⁰= 1.23 V Cl₂  E⁰ = 1.36 V MnO₄^‒ E⁰= 1.51 V

14

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 15

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

충북대학교 환경공학과

담당교수: 임동희 교수, E8-10동 803호

E-mail: [email protected]

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 16

학습 목표

제3장 물 화학에서 산화-환원 반응 (On-line class: Ch.3-2)

 연료전지 원리

 산화-환원 반응식 완성하기

(중요 개념 정리)

Fuel Cell (연료전지) Technology

• Chemical  electricity

• High efficiency

• Reliable and high quality

• Low-to-zero emissions H₂O Heat

O₂

전기화학(Electrochemistry)

17

Fuel Cell (연료전지) Technology

• Chemical  electricity

• High efficiency

• Reliable and high quality

• Low-to-zero emissions

H₂O Heat

O₂

Principles of reactions

전기화학(Electrochemistry)

18

Fuel Cell (연료전지) Technology

• Chemical  electricity

• High efficiency

• Reliable and high quality

• Low-to-zero emissions

H₂O Heat

O₂

Principles of reactions

전기화학(Electrochemistry)

19

Fuel Cell (연료전지) Technology

e e e e

H⁺ H⁺ H⁺ H⁺

Electrolyte

e e e e H⁺ H⁺ H⁺ H⁺ H₂

H₂ H⁺O^2-

H⁺ H⁺O^2- H⁺ O₂

Anode Cathode

• Chemical  electricity

• High efficiency

• Reliable and high quality

• Low-to-zero emissions

H₂O Heat

O₂

2H₂ ® 4H⁺+ 4e^- O₂+ 4H⁺+ 4e^- ® 2H₂O At anode(산화전극) At cathode(환원전극)

Principles of reactions

전기화학(Electrochemistry)

20

Fuel Cell (연료전지) Technology

e e e e

H⁺ H⁺ H⁺ H⁺

Electrolyte

e e e e H⁺ H⁺ H⁺ H⁺ H₂

H₂ H⁺O^2-

H⁺ H⁺O^2- H⁺ O₂

Anode Cathode

• Chemical  electricity

• High efficiency

• Reliable and high quality

• Low-to-zero emissions

H₂O Heat

O₂

2H₂ ® 4H⁺+ 4e^- O₂+ 4H⁺+ 4e^- ® 2H₂O At anode(산화전극) At cathode(환원전극)

Principles of reactions

2H₂ + O₂ ® 2H₂O

전기화학(Electrochemistry)

21

충북대학교 환경공학과 환경화학 (Environmental Chemistry), 임동희 22

학습 목표

제3장 물 화학에서 산화-환원 반응 (On-line class: Ch.3-3)

 연료전지 원리

 산화-환원 반응식 완성하기

(중요 개념 정리)

Fuel Cell (연료전지) Technology

e e e e

H⁺ H⁺ H⁺ H⁺

Electrolyte

e e e e H⁺ H⁺ H⁺ H⁺ H₂

H₂ H⁺O^2-

H⁺ H⁺O^2- H⁺ O₂

Anode Cathode

• Chemical  electricity

• High efficiency

• Reliable and high quality

• Low-to-zero emissions

H₂O Heat

O₂

2H₂ ® 4H⁺+ 4e^- O₂+ 4H⁺+ 4e^- ® 2H₂O At anode(산화전극) At cathode(환원전극)

Principles of reactions

2H₂ + O₂ ® 2H₂O

전기화학(Electrochemistry)

23

반쪽 반응(Half Reactions) (Redox Table)

Development of complex oxidation-reduction reactions

더욱강력한산화제 더욱강력한환원제

24

얼마나 많은 전기(voltage) 얻을 수 있나?

Fuel cell

Selected list of standard electrode potentials

산화-환원 전체 반응식 완성하기

½H₂

H⁺ + e^– E⁰ = 0.00 V

½O₂ + 2H⁺ + 2e^– H₂O E⁰ = +1.23 V Step 1:

관련 있는 Redox 반응식을 찾는다

Step 2:

산화/환원 반응을 각각 구분한다

½H₂ H⁺ + e^–

(Anode) E⁰ = –0.00 V

(Cathode) ½O₂ + 2H⁺ + 2e^– H₂O E⁰ = +1.23 V

25

얼마나 많은 전기(voltage) 얻을 수 있나?

Fuel cell

<주의사항>

산화-환원 전체 반응식 완성하기

Step 2:

산화/환원 반응을 각각 구분한다

½H₂ H⁺ + e^–

(Anode) E⁰ = –0.00 V

(Cathode) ½O₂ + 2H⁺ + 2e^– H₂O E⁰ = +1.23 V

26

Step 3:

전체적인 반응을 완성한다

H₂ 2H⁺ + 2e^– E⁰ = –0.00 V

½O₂ + 2H⁺ + 2e^– H₂O E⁰ = +1.23 V

= H₂ + ½O₂ H₂O E⁰_(cell) = +1.23 V

① 반응의 방향을 좌/우 바꾸면, E⁰ 포텐셜값의 부호(+/-)도 전환

② E⁰ 값은 반응물질의 몰 수(양)가 변하더라도 바뀌지 않음(세기단위)

 1 V (= 1 J/C): 1 C 전하가 1 J의 에너지 얻거나 잃을 때의 전위차

Gibbs Free Energy Change (∆G

)

∆G⁰ = -n F E⁰_(cell)

Step 3: Balance the overall equation

H₂ 2H⁺ + 2e^–

½O₂ + 2H⁺ + 2e^– H₂O

E⁰ = –0.00 VE⁰ = +1.23 V

= H₂ + ½O₂ H₂O ^E0(cell) = +1.23

V

n = the number of electrons transferred F = Faraday’s constant = 96,485 C/mol E⁰_(cell) = standard potential

1 Coulomb · V = 1 Joule

= 2 x 96,485 C/mol x 1.23 V = –237.4 kJ/mol

Gibbs free energy (G): the net energy required to create a system

∆G > 0 energetically unfavorable

∆G = 0 equilibrium

∆G < 0 energetically favorable

27