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요오드화칼륨 수용액과
황산구리 수용액의 전기 분해
1. 실험 목표
전해질 용액에 직류 전류를 통하게 하면 전지의 (-)극으로부터 흘러나온 전자가 전기 분해 장치의 (-)극에 모이게 되어 이곳에서 전해질 용액의 양이온과 전자의 반응이 일어나게 된다. 따라서 이론적으로 전기 분해 장치의 경우 (-)극에서 환원 반응이 일어나게 되며, 또한 전기 분해 장치의 (+)극으로는 전해질 용액의 음이온이 끌려가서 전자를 빼앗기고 산화되는 반응이 일어날 것이다.
그렇다면 직접 실험을 통해 위와 같은 전기 분해가 이론적으로 예측한 것과 일치하는지의 여부에 관해 알아보도록 하자.
2. 준비물
U자관, 직류전원장치, 탄소 전극, 스탠드, 스포이트, 집게 달린 전선
솜, 시약병, 사포, 요오드화칼륨 용액, 황산구리 수용액, 페놀프탈레인 용액,
사염화탄소, pH 시험지, 시험관, 시험관 마개, 아연판, 구리판
3. 유의점
직류 전원 장치는 조심해서 다룬다.
요오드가 신체에 닿지 않도록 주의한다.
또한, 실험하는 동안 창문을 열어 환기가 잘 되도록 한다.
불과 관련된 물품들을 다룰 때(의 존재 여부를 실험할 때) 사고가 일어나지 않도록 조심한다.
4. 탐구 결과 정리 및 결론
요오드화칼륨() 수용액의 전기 분해
실험 전에 요오드화칼륨 수용액을 전기 분해하였을 때 (+)극에서는 기체 , (-)극에서는 기체가 발생할 것으로 예상하였다. 그리고 직접 실험을 해 본 결과 실제로 (+)극에서는 붉은 보라색의 물질인 가 생성되어 자관의 끝까지 흘러내렸고, 마찬가지로 종류는 다르지만 (-)극에서도 역시 미지의 기체가 발생하는 것을 눈으로 확인할 수 있었다. (+)극에서 발생한 기체 물질을 녹말용액과 반응시켰더니 청남색으로 색깔이 바뀌었으므로 (+)극에서 가 발생하였다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한 (-)극에서 발생한 기체를 시험관에 모아 …(생략)
성냥불을 갖다 대었더니 ‘펑’하는 소리와 함께 불꽃을 내었으므로 (-)극에서 발생한 기체가 임을 알 수 있었다.
한편, 요오드화칼륨 수용액에 페놀프탈레인 용액을 몇 방울 떨어뜨리고 색깔 변화를 관찰해 보았더니 시간이 지날수록 수용액의 색깔이 더욱 더 붉게 변하는 것을 알 수 있었다. 이것은 (-)극에서 이온의 환원 현상에 의해 수소 기체가 발생하어 수용액 내의 이온의 농도가 높아졌기 때문이다. 따라서 수용액이 반응을 통하여 염기성으로 바뀌었다는 사실을 확인할 수 있었다. 그리고 (+)극 쪽에서 용액을 스포이트로 일정량 추출하여 시험관에 넣은 후 사염화탄소 1ml를 섞고 흔들어서 잘 섞이도록 해 보았더니 위층에 있던 보라색이 용액 쪽으로 점점 녹아 내려가는 것을 확인할 수 있었는데, 이것은 요오드분자가 무극성이므로 물과의 친화력보다 과의 친화력이 더욱 커서 물 대신 에 녹아 들어가기 때문이다.
그리고, 전기분해 결과 생성된 물질을 알아보았더니, (+)극과 (-)극에 따라 그 종류가 다른 것을 직접 확인할 수 있었다. 이와 같이 발생 물질이 다른 것은 (-)극에서는 양이온의 환원 현상이, 그리고 (+)극에서는 음이온의 산화 현상이 일어나기 때문이다.
마지막으로 요오드화칼륨 수용액이 전기 분해될 때 산화, 환원 각 전극에서 일어난 반응의 반응식과 전체 반응에 대한 반응식에 대해서 정리해 보면 다음과 같다. (+)극에서는 의 반응이 일어나서 두 개의 요오드 이온이 기체 한 분자와 두 개의 전자를 생성해 낸 데 비해, (-)극에서는 의 반응이 일어나, 두 개의 양성자 이온이 앞서 말한 반응에서 방출된 두 개의 전자와 결합하여 한 분자의 수소 기체가 된다. 따라서 종합하자면 전체 반응식은 로 나타낼 수 있다.
한편, 우리는 원래 실험 전에 세웠던 주제에는 없었지만 실험 중에 갑자기 생긴 ‘판의 재질이 바뀌면 결과 값이 우리가 앞서 했던 실험들과는 어떠한 차이가 있을까’ 하는 호기심으로 추가적으로 판과 판을 각 전극에 연결하여 실험해 보았다. 그러자 (+)극에서 요오드 이온 대신에 아연판의 산화가 일어나 이온이 생기는 것을 확인할 수 있었다. 이 사실 역시, 교과서를 통해 이론적으로 배웠던 금속의 이온화 차례를 따르는 것이다.
황산구리() 수용액의 전기 분해
우리는 실험 전에 황산구리 수용액을 이용한 전기 분해 실험에서 이론적으로 배웠던 것과 같이 (+)극에는 가 발생하고, (-)극에는 가 석출될 것으로 예상하였다.
그리고 실험을 통하여 직접 이러한 사실을 확인해 보기 위하여 (+)극에서 발생하는 기체를 시험관에 모아 보았다. 우리는 발생한 기체가 우리가 예상했던 것처럼 기체인지의 여부를 확인하기 위하여 성냥 불꽃을 갖다 대어 보았으나 불꽃이 조금 더 활발하게 타오를 뿐, 교과서에서 수소의 반응을 말할 때와 같이 성냥 불꽃을 갖다 대었을 때 ‘펑’ 하며 폭발적으로 타오르는 현상은 관찰하지 못했다. 우리의 예상이 어긋난 이유를 조원들과 토론하고 교과서를 꺼내어 분석하며 우리의 예상에서 무엇이 잘못 되었는지를 분석한 결과, 실제로 (+)극에서 발생한 기체가 우리가 예상했었던 기체가 아닌 기체라는 사실을 알 수 있었다. 기체는 꺼져가는 불꽃을 넣어서 활발하게 타오르는 것으로 그 존재 유무를 확인할 수 있다. 성냥불을 넣었을 때 불꽃이 활발하게 타올랐던 점으로 보아, 발생한 기체가 임을 확인할 수 있었다. 따라서, (+)극에서 발생하였던 기체는 처음 예상했던 가 아니고 였다.
또한, 우리는 이번 실험에서 용액의 특징인 푸른색을 띄었던 용액이 (-)극 쪽에서 뿌옇게 색깔이 바뀌는 사실을 관찰할 수 있었다. 이는 푸른색을 내는 구리 이온이 석출되어 용액 내에서 없어졌기 때문에 용액의 푸른색이 옅어진 것으로 생각할 수 있다.
한편, 전기분해 결과 생성된 물질은 (+)극에서와 (-)극에서 서로 달랐다. 이는 (-)극에서는 양이온의 환원이, 그리고 (+)극에서는 음이온의 산화가 일어나기 때문이다.
마지막으로, 황산구리 수용액을 사용한 전기 분해 실험에서의 반응식은 다음과 같다. 우선 (-)극에서는 , 산화전극인 (+)극에서는 과 같은 반응이 일어난다. 따라서 전체 반응식은 로 나타낼 수 있다.
우리의 실험 결과를 종합해 보면, 크게 요오드화칼륨 수용액을 이용한 실험과 황산구리 수용액을 이용한 실험 등 두 가지 실험을 하였는데, 이 두 실험들의 결과를 서로 비교해 보았을 때 요오드화칼륨 수용액을 이용한 실험에서는 (-)극에서 기체가 생성되었지만 황산구리 수용액을 이용한 실험에서는 (-)극에서 가 석출되고, 또한 (+)극에서는 각각 와 가 발생하는 것을 관찰할 수 있다. 이는 실험에서 사용한 주재료들의 반응성 차례가 이기 때문으로 생각할 수 있다.
최종적으로, 실험 분석을 끝내기 전에 이번 실험에서 발생한 오차의 원인에 대해서 생각해 보았다. 실험의 결과로써 발생한 물질을 대부분 눈으로만 확인해야 했던 점, 그리고 발생한 기체를 제대로 채집하지 못했던 점 등이 오차의 원인으로 생각된다. 이러한 점들을 보완하고 황산구리 수용액을 이용한 실험에서도 아연과 구리 금속을 연결하여 추가 실험을 하였더라면 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
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