기준 전극 소개
기준 전극은 전극 전위를 측정하기 위한 전기화학의 필수 도구입니다. 다른 전극과 비교할 수 있는 안정적이고 알려진 전위를 제공하여 전기화학 반응을 정확하게 측정할 수 있습니다. 기준 전극은 미지의 전위를 측정할 수 있는 특정 전극 전위로 구성된 반쪽 전지로 구성됩니다. 일반적으로 작동 전극과 보조 전극에 연결되어 전기화학 전지를 형성합니다. 기준 전극은 용액의 구성, 온도 및 기타 요인의 영향을 받지 않는 안정적인 전위를 가져야 합니다. 다음 섹션에서는 기준 전극의 목적, 구성 및 유형에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
목차
기준 전극의 목적
기준 전극은 두 전극 사이의 전위차를 측정하기 위한 안정적인 기준점 역할을 하는 전기화학의 필수 도구입니다. 그들은 시스템의 다른 전극에 대한 비교 지점으로 사용할 수 있는 안정적이고 알려진 전위를 갖도록 설계되었습니다. 기준 전극의 목적은 전기화학 실험에서 정확하고 재현 가능한 측정을 보장하는 것입니다.
전극 전위
전기화학 측정의 경우 전위가 일정한 기준점이 있어야 합니다. 셀에서 발생하는 전체 화학 반응은 두 전극의 화학적 변화를 설명하는 두 개의 독립적인 반쪽 반응으로 구성됩니다. 작동 전극에서의 반응에 초점을 맞추기 위해 기준 전극은 산화환원 반응의 각 참여자의 일정한(완충 또는 포화) 농도로 표준화됩니다.
전기 회로 완성
기준 전극의 목적은 전체 전위가 측정되는 완전한 전극 셀의 두 번째 전극을 제공함으로써 전기화학 측정에 필요한 전기 회로를 완성하는 것입니다. 기준 전극은 액체 접합부를 통해 샘플과 접촉함으로써 이를 달성합니다. 기준 전극이 유용하려면 표시 전극 전위와 비교할 수 있는 안정적이고 재현 가능한 전위를 모두 제공해야 합니다.
정확성과 재현성
기준 전극은 정확하고 재현 가능한 데이터를 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 기준 전극의 전위는 측정 정확도를 유지하기 위해 실험 내내 일정하게 유지되어야 합니다. 기준 전극의 전위 변화는 작업 전극의 전위에 영향을 미치므로 실험의 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다.
기준 전극의 종류
은/염화은 전극, 칼로멜 전극, 포화 칼로멜 전극, Ag/Ag2S 전극 등 다양한 종류의 기준 전극이 있습니다. 기준 전극의 선택은 용도에 따라 다릅니다. 은/염화은 전극은 가장 일반적으로 사용되는 기준 전극이며 표준 수소 전극에 비해 +0.197V의 안정적인 전위를 가집니다. 다른 기준 전극으로는 calomel 전극, 포화 calomel 전극 및 Ag/Ag2S 전극이 있습니다.
기타 애플리케이션
전기화학 실험에 사용하는 것 외에도 참조 전극은 pH 측정 및 부식 모니터링과 같은 다른 응용 분야에도 사용됩니다. 기준 전극의 전위는 용액의 pH를 결정하는 데 사용할 수 있으며 금속의 부식을 모니터링하는 데에도 사용할 수 있습니다.
요약하면 기준 전극은 전기화학 실험에서 중요한 역할을 하며 정확한 측정을 위해 안정적이고 재현 가능한 전위를 제공합니다. 기준 전극의 선택은 응용 프로그램의 요구 사항에 따라 다르며 정확성과 재현성을 보장하기 위해 실험 전반에 걸쳐 기준 전극의 전위를 유지하는 것이 필수적입니다.
기준 전극의 구성
기준 전극은 작업 전극의 전위를 측정할 수 있는 안정적인 기준 전위를 설정하는 데 사용됩니다. 기준 전극의 구성에는 기준 전극 전위, 전해질 용액 및 전극 본체의 세 가지 주요 구성 요소가 포함됩니다.
기준 전극 전위
기준 전극 전위는 안정적인 전위를 생성하는 반쪽 전지 반응을 사용하여 설정됩니다. 반쪽 전지 반응은 일반적으로 Ag/Ag+ 또는 Cu/Cu2+ 쌍과 같은 금속/금속 이온 쌍으로 구성됩니다. 이는 전기화학적 측정을 위한 기준으로 사용할 수 있는 안정적인 전위를 생성합니다.
전해질 용액
전해질 용액은 일반적으로 기준 전극을 작업 전극에 연결하는 염 용액입니다. 가장 일반적으로 사용되는 전해질 용액은 포화 칼로멜 전극(Saturated Calomel Electrode, SCE)의 구성에 사용되는 포화 KCl입니다. 다른 전해질 용액에는 NaCl, LiCl 및 HCl이 포함됩니다.
전극체
전극 본체는 은, 백금 또는 금과 같이 화학적으로 불활성이며 전기 전도성이 있는 재료로 구성됩니다. 전극체는 전형적으로 전해질 용액과 평형을 이루는 금속 또는 금속 산화물의 층으로 코팅된다. 이 층은 활성 전극 표면 역할을 하며 안정적인 기준 전위를 유지하는 역할을 합니다.
가장 일반적으로 사용되는 기준 전극은 SCE(Saturated Calomel Electrode)입니다. SCE는 Hg/Hg2Cl2 전극 전위, KCl 전해액 및 유리 전극체로 구성됩니다. Hg/Hg2Cl2 전극 전위는 다음 반쪽 전지 반응에 의해 설정됩니다.
Hg2Cl2(s) + 2e- ↔ 2Hg(l) + 2Cl-(aq)
KCl 전해액은 SCE를 작동 전극에 연결하고 유리 몸체는 전극을 기계적으로 지지합니다.
일반적으로 사용되는 또 다른 기준 전극은 Ag/AgCl 전극입니다. Ag/AgCl 전극 전위는 다음 반쪽 전지 반응에 의해 설정됩니다.
AgCl(s) + e- ↔ Ag(s) + Cl-(aq)
Ag/AgCl 전극은 은선을 전극 본체로 사용하고 AgCl 층을 활성 전극 표면으로 사용하여 구성할 수 있습니다.
전반적으로 기준 전극의 구성을 이해하는 것은 주어진 응용 분야에 적합한 기준 전극을 선택할 수 있기 때문에 전기화학 측정에 필수적입니다. 기준 전극의 선택은 전기화학 측정의 정확도와 신뢰성에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 주어진 응용 분야에 적합한 기준 전극을 선택하는 것이 중요합니다.
기준 전극의 액체 접합부
기준 전극은 전기화학 실험에서 정확한 측정과 신뢰할 수 있는 결과를 위해 필수적입니다. 기준 전극의 한 가지 중요한 측면은 기준 전극의 전해질 용액이 측정되는 용액과 만나는 지점인 액체 접합입니다. 기준 전극을 샘플에 넣으면 기준 충전 용액과 샘플이 만나는 접합부(액체 접합부)에서 전위가 발생합니다. 이 전위는 참조 충전 용액이 샘플과 구성이 다르기 때문에 발생합니다. 액체 접합부는 기준 충전 용액과 샘플 사이에서 이온의 상호확산을 허용하도록 설계되었습니다.
액체 접합의 중요성
정확한 측정을 위해서는 전위차를 최소화하도록 잘 설계된 액체 접합부가 있는 기준 전극을 사용하는 것이 필수적입니다. 측정 정확도에 영향을 줄 수 있는 접합 전위는 이온 농도의 차이로 인해 이러한 지점에서 발생합니다. 따라서 기준 접합 전위의 크기와 안정성을 모두 제어하려면 액체 접합 재료와 기준 충진 용액을 신중하게 선택해야 합니다.
참조 충진 솔루션
특정 응용 분야에 이상적인 참조 충진 솔루션은 특정 요구 사항을 충족해야 합니다. 충전 용액의 전해질은 샘플과 반응하거나 샘플을 오염시키지 않아야 합니다. 충전 용액은 액체 접합 인터페이스에 존재하는 지배적 이온(농도)을 제공해야 합니다. 충전 용액 전해질의 양이온과 음이온 모두의 확산 속도는 가능한 한 같아야 합니다. 첫 번째 요구 사항의 한 가지 예는 염화은을 형성하기 위해 은을 포함하는 샘플과 반응하는 KCl의 일반적인 기준 충전 용액입니다.
이온 등가 컨덕턴스
전하를 운반하는 이온의 능력은 이온 등가 컨덕턴스(λ0, mho-cm/equivalent/liter)를 기준으로 비교할 수 있습니다. 다양한 용액에서 다양한 이온에 대한 이온 등가 컨덕턴스는 크게 다를 수 있습니다. 예를 들어, 칼륨의 제한 등가 컨덕턴스는 73.5이고, 염화물의 제한 등가 컨덕턴스는 76.4입니다. H+ 및 OH-에 대한 더 높은 제한 등가 컨덕턴스 값은 강산 및 강염기에서 등전이를 달성하기 어렵게 만듭니다.
다양한 유형의 액체 접합부
액체 접합에는 "유동" 및 "확산" 접합의 두 가지 기본 클래스가 있습니다. 흐르는 접합부는 전해질 전체(액체/겔 및 모두)가 접합부를 통해 시료와 접촉할 수 있도록 합니다. 반면에 확산 접합부는 전해질의 이온만 접합부를 통과하여 테스트 샘플로 통과하도록 허용합니다.
환형 세라믹, 세라믹 심지, PTFE(테프론), 유리 슬리브 및 개방 개구는 기준 전극에 사용할 수 있는 다양한 유형의 액체 접합부입니다. 액체 접합 유형의 선택은 대부분 용도에 따라 다릅니다. 예를 들어, 환형 세라믹 접합부는 대부분의 일반 실험실 유형 응용 분야에 적합하고 개방형 개구 접합부는 일반적으로 고체 함량이 높은 응용 분야와 현탁액/에멀젼에 사용됩니다.
결론적으로 기준 전극에서 액체 접합의 중요성을 이해하는 것은 전기화학 실험에서 정확한 측정과 신뢰할 수 있는 결과를 위해 매우 중요합니다. 기준 접합 전위의 크기와 안정성을 제어하려면 액체 접합 재료와 사용되는 기준 충진 용액을 신중하게 선택해야 합니다. 액체 접합 유형의 선택은 대부분 용도에 따라 다릅니다.
수성 기준 전극의 유형
전기화학 실험을 할 때 작업전극의 전위를 측정하기 위한 기준전극을 갖는 것이 중요하다. 사용 가능한 다양한 유형의 수성 기준 전극이 있으며 각각 고유한 장점과 단점이 있습니다.
은/염화은 전극
수성 기준 전극의 가장 일반적인 유형은 은/염화은 전극입니다. 사용하기 쉽고 안정적인 잠재력을 가지고 있어 많은 응용 분야에서 인기 있는 선택입니다.
칼로멜 전극
널리 사용되는 또 다른 수성 기준 전극은 칼로멜 전극입니다. 비용이 저렴하고 신뢰할 수 있지만 독성 수은이 포함되어 있어 환경 친화적이지 않습니다.
포화 칼로멜 전극
포화 칼로멜 전극은 더 정확한 기준 전극이지만 더 비싸고 조심스럽게 다루어야 합니다.
다른 유형의 수성 기준 전극
다른 유형의 수성 기준 전극에는 구리/황산구리 전극, 수은/황산수은 전극 및 수소 전극이 포함됩니다. 각 기준 전극에는 고유한 용도가 있으며 실험 요구 사항에 따라 적절한 기준 전극을 선택하는 것이 중요합니다.
다양한 유형의 수성 기준 전극을 이해하는 것은 실험 결과의 정확성과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있으므로 전기화학 초보자에게 매우 중요합니다. 시중에서 구할 수 있는 수성 Ag/AgCl 기준 전극은 암실에 보관하고 기준 전극 내부의 용액과 동일한 용액(보통 포화 KCl)에 담가 두어야 합니다.
전해질 염이 기공에서 결정화되어 사용할 수 없게 만드는 바이코 프릿이 건조되는 것을 방지하는 것도 중요합니다. vycor frit의 무결성은 피펫 전구를 사용하여 액체를 짜내어 테스트할 수 있습니다. 유체가 쉽게 걸러지더라도 vycor frit를 교체해야 합니다.
비수성 전기화학 실험의 경우 시판되는(또는 재활용된) 유리 기준 전극 구획, 바이코 프릿 및 은선으로 기준 전극을 쉽게 만들 수 있습니다. 수성 기준 전극의 경우에서와 같이, 은선은 분석물을 포함하는 용액과 동일한 농도의 전해질 염(바람직하게는 동일한 염을 사용함)을 갖는 동일한 용매의 용액에 침지되어야 한다.
결론적으로, 다양한 유형의 수성 기준 전극을 이해하는 것은 전기화학 초보자에게 매우 중요합니다. 실험 결과의 정확성과 신뢰성에 영향을 줄 수 있으므로 실험의 요구 사항에 따라 적절한 기준 전극을 선택하는 것이 중요합니다.
전기화학의 카운터 전극(CE)
전기화학 전지에서 기준 전극은 두 반쪽 전지 사이의 전위차를 측정하는 데 사용됩니다. 기준 전극의 필수 구성 요소 중 하나는 보조 전극이라고도 하는 카운터 전극(CE)입니다.
상대전극의 역할
CE는 전기화학 셀에서 전기 회로를 완성하는 데 중요합니다. 그 역할은 회로의 전류 흐름을 유지하는 데 도움이 되는 안정적이고 일관된 전위를 제공하는 것입니다. 일반적으로 백금과 같은 불활성 재료로 만들어지며 작동 전극에 근접하게 배치됩니다. CE는 전기화학 반응에 참여하지 않지만 전위차를 측정하기 위한 기준으로 사용되는 안정적인 전위를 제공합니다.
2전극 설정의 카운터 전극
예를 들어 배터리, 연료 전지 및 슈퍼 커패시터와 같은 전기 화학 에너지 장치에서 전체 셀 전압의 측정이 중요한 경우에 2전극 설정이 사용됩니다. CE 전위는 실험 과정에서 표류하지 않을 것으로 예상할 수 있습니다. 이것은 일반적으로 매우 낮은 전류 또는 상대적으로 짧은 시간 척도를 나타내고 잘 배치된 카운터, 예를 들어 마이크로 작업 전극 및 훨씬 더 큰 은 카운터 전극을 갖는 시스템에 있습니다.
3전극 실험의 반대 전극
3전극 모드에서 기준 리드는 카운터에서 분리되어 세 번째 전극에 연결됩니다. 이 전극은 작동 전극에 매우 가까운 지점을 측정하도록 배치됩니다. 3전극 설정은 2전극 설정에 비해 뚜렷한 실험적 이점이 있습니다. 셀의 절반만 측정합니다. 즉, 작동 전극의 전위 변화는 상대 전극에서 발생할 수 있는 변화와 독립적으로 측정됩니다. 이러한 분리를 통해 특정 반응을 확실하고 정확하게 연구할 수 있습니다. 이러한 이유로 3전극 모드는 전기화학 실험에서 가장 일반적으로 사용되는 설정입니다.
4전극 실험의 반대 전극
4전극 모드에서 작동 감지 리드는 기준 리드와 마찬가지로 작동 전극에서 분리됩니다. 4전극 설정은 그림 3의 BD 라인을 따라 전위를 측정하며 C에 약간의 "방해물"이 있을 수 있습니다. 이 설정은 전기화학에서 상대적으로 흔하지 않지만 그 자리가 있습니다. 4전극 모드에서는 작업(및 카운터) 전극에서 발생하는 전기화학 반응의 전위가 측정되지 않습니다. 측정되는 것은 솔루션 자체 또는 해당 솔루션의 일부 장벽에 적용된 전류의 영향입니다.
카운터 전극 분리 및 전위 변화
상대 전극의 전해 반응 생성물이 원하는 전기 분해 반응에 영향을 줄 수 있다는 우려가 있는 경우 상대 전극을 작업 전극과 분리된 구획에 배치하는 것이 바람직합니다. 특히 벌크 전기분해의 경우 상대전극에서 작동전극 생성물의 역전해를 피하기 위해 이온교환막 또는 세라믹 필터로 분리된 격실에 설치해야 합니다.
작업전극의 전위는 potentiostat에 의해 기준전극 전위에 대해 명확하게 조절되지만 상대전극의 전위는 알 수 없습니다. 상대 전극의 전위는 작동 전극의 전류 값에 따라 진동합니다. 상대전극에서 지지전극 반응이 불충분하면 과전압도 커져야 한다. 이를 고려하여 상대전극의 표면적을 최대한 증가시키고 전류밀도를 감소시켜야 한다.
결론
결론적으로 상대전극은 전기화학적 측정 시스템의 필수 구성요소이다. 그 역할은 회로의 전류 흐름을 유지하는 데 도움이 되는 안정적이고 일관된 전위를 제공하는 것입니다. 상대전극은 전기화학적 반응에 참여하지 않지만 전위차를 측정하기 위한 기준으로 사용되는 안정적인 전위를 제공합니다. 전기화학에서 카운터 전극의 중요성을 이해하는 것은 초보자가 전기화학 측정에서 기준 전극의 중요성을 이해하는 데 매우 중요합니다.
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