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Thermodynamics and Electrochemistry · ⁨열역학과 전기화학⁩

AP Chemistry · ⁨AP 화학⁩ · Topic 9 · ⁨주제 9⁩

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8:16

열역학과 전기화학

두 가지 퍼즐. 얼음 주사위를 잡으면融解되는 데 에너지를 필요로 함에도 불구하고 손안에서 녹습니다. 이제 다이아몬드를 보십시오. 모든 다이아몬드는 천천히…로 변해야 합니다.

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in⁩

9.1

Introduction to Entropy · ⁨엔트로피 소개⁩

Syllabus
English

Learning Objective 9.1.A: Identify the sign and relative magnitude of the entropy change associated with chemical or physical processes.

  • 9.1.A.1 Entropy increases when matter becomes more dispersed. For example, the phase change from solid to liquid or from liquid to gas results in a dispersal of matter as the individual particles become freer to move and generally occupy a larger volume. Similarly, for a gas, the entropy increases when there is an increase in volume (at constant temperature), and the gas molecules are able to move within a larger space. For reactions involving gas-phase reactants or products, the entropy generally increases when the total number of moles of gas-phase products is greater than the total number of moles of gas-phase reactants.
  • 9.1.A.2 Entropy increases when energy is dispersed. According to kinetic molecular theory (KMT), the distribution of kinetic energy among the particles of a gas broadens as the temperature increases. As a result, the entropy of the system increases with an increase in temperature.
한국어

학습목표 9.1.A: 화학적 또는 물리적 과정에 관련된 엔트로피 변화의 부호와 상대적 크기를 식별하시오.

  • 9.1.A.1 물질이 더 넓게 퍼질 때 엔트로피는 증가한다. 예를 들어 고체에서 액체로, 혹은 액체에서 기체로 상변화가 일어날 때 개별 입자의 이동이 자유로워지고 일반적으로 더 큰 부위를 차지하게 되면서 물질이 퍼지게 되어 엔트로피가 증가한다. 마찬가지로 기체의 경우, 온도가 일정할 때 부위가 증가하면 기체 분자가 더 넓은 공간에서 움직일 수 있어 엔트로피가 증가한다. 기체상 반응물이나 생성물이 관여하는 반응에서 기체상 생성물의 총 몰수가 기체상 반응물의 총 몰수보다 클 때 엔트로피는 일반적으로 증가한다.
  • 9.1.A.2 에너지가 퍼질 때 엔트로피는 증가한다. 운동론적 분자설(KMT)에 따르면, 온도가 상승함에 따라 기체 입자 간 운동에너지의 분포가 넓어진다. 그 결과 시스템의 엔트로피는 온도 증가에 따라 증가한다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Entropy 熵 $S$ measures the dispersal of energy and matter – loosely, the number of ways to arrange a system. Entropy increases when a substance goes solid → liquid → gas, when a solid dissolves, when gas moles increase, or when temperature rises. More disorder means higher entropy.

한국어
가정용 배터리: 전기화학 셀이 화학적 자유 에너지를 전기적 일로 전환
가정용 배터리: 전기화학 셀이 화학적 자유 에너지를 전기적 일로 전환

엔트로피 $S$는 에너지와 물질의 확산 정도를 측정하며 — 대략적인 개념으로 시스템의 배치 방법을 수로 표현한다. 물질이 고체 → 액체 → 기체로 상태 변화하거나, 고체가 용해되거나, 기체 몰수가 증가하거나, 온도가 상승할 때 엔트로피는 증가한다. 무질서가 클수록 엔트로피가 높다.

고체에서 액체로, 그리고 기체로 갈수록 엔트로피가 증가함
고체에서 액체로, 그리고 기체로 갈수록 엔트로피가 증가함
Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
Entropy/ˈentrəpi/ 엔트로피
Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/ 길브스 자유 에너지
thermodynamically favorable/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪkli ˈfeɪvərəbl/ 열역학적으로 유리한
galvanic (voltaic) cell/ɡælˈvænɪk sel/ 갈바닉 (볼타) 전지
9.2

Absolute Entropy and Entropy Change · ⁨절대 엔트로피와 엔트로피 변화⁩

Syllabus
English

Learning Objective 9.2.A: Calculate the standard entropy change for a chemical or physical process based on the absolute entropies (standard molar entropies) of the species involved in the process.

  • 9.2.A.1 The entropy change for a process can be calculated from the absolute entropies of the species involved before and after the process occurs.
    • Equation: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$
한국어

학습 목표 9.2.A: 과정에 관여하는 각 종의 절대 엔트로피(표준 몰 엔트로피)를 기반으로 화학적 또는 물리적 과정의 표준 엔트로피 변화를 계산한다.

  • 9.2.A.1 과정의 엔트로피 변화는 과정 발생 전후에 관여하는 각 종의 절대 엔트로피로부터 계산할 수 있다.
    • 식: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Every substance has a positive absolute entropy $S^\circ$. For a reaction,

$$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$
Predict its sign from the change in gas moles: making more gas raises entropy ($\Delta S>0$).

한국어

모든 물질은 양의 절대 엔트로피 $S^\circ$를 가진다. 반응에 대해,

$$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$
기체 몰수의 변화를 통해 부호를 예측할 수 있다: 기체가 더 많이 생성되면 엔트로피가 증가함($\Delta S>0$).

9.3

Gibbs Free Energy and Thermodynamic Favorability · ⁨깁스 자유 에너지와 열역학적 선호도⁩

Syllabus
Learning ObjectiveEssential Knowledge

9.3.A
Explain whether a physical or chemical process is thermodynamically favored based on an evaluation of $\Delta G^{\circ}$.

  • 9.3.A.1 The Gibbs free energy change for a chemical process in which all the reactants and products are present in a standard state (as pure substances, as solutions of 1.0 M concentration, or as gases at a pressure of 1.0 atm (or 1.0 bar)) is given the symbol $\Delta G^{\circ}$.

  • 9.3.A.2 The standard Gibbs free energy change for a chemical or physical process is a measure of thermodynamic favorability. Historically, the term "spontaneous" has been used to describe processes for which $\Delta G^{\circ} < 0$. The phrase "thermodynamically favored" is preferred instead so that common misunderstandings (equating "spontaneous" with "suddenly" or "without cause") can be avoided. When $\Delta G^{\circ} < 0$ for the process, it is said to be thermodynamically favored.

  • 9.3.A.3 The standard Gibbs free energy change for a physical or chemical process may also be determined from the standard Gibbs free energy of formation of the reactants and products.

    • Equation: $\Delta G^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ reactants}$
  • 9.3.A.4 In some cases, it is necessary to consider both enthalpy and entropy to determine if a process will be thermodynamically favored. The freezing of water and the dissolution of sodium nitrate are examples of such phenomena.

  • 9.3.A.5 Knowing the values of $\Delta H^{\circ}$ and $\Delta S^{\circ}$ for a process at a given temperature allows $\Delta G^{\circ}$ to be calculated directly.

    • Equation: $\Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T\,\Delta S^{\circ}$
  • 9.3.A.6 In general, the temperature conditions for a process to be thermodynamically favored ($\Delta G^{\circ} < 0$) can be predicted from the signs of $\Delta H^{\circ}$ and $\Delta S^{\circ}$ as shown in the table below:

    $\Delta H^{\circ}$ $\Delta S^{\circ}$ Symbols $\Delta G^{\circ} < 0$, favored at:
    $< 0$ $> 0$ $<\ >$ all $T$
    $> 0$ $< 0$ $>\ <$ no $T$
    $> 0$ $> 0$ $>\ >$ high $T$
    $< 0$ $< 0$ $<\ <$ low $T$

    In cases where $\Delta H^{\circ} < 0$ and $\Delta S^{\circ} > 0$, no calculation of $\Delta G^{\circ}$ is necessary to determine that the process is thermodynamically favored ($\Delta G^{\circ} < 0$). In cases where $\Delta H^{\circ} > 0$ and $\Delta S^{\circ} < 0$, no calculation of $\Delta G^{\circ}$ is necessary to determine that the process is thermodynamically unfavored ($\Delta G^{\circ} > 0$).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Gibbs free energy 吉布斯自由能 combines enthalpy and entropy:

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$
A process is thermodynamically favorable 热力学有利 when $\Delta G<0$. So exothermic ($\Delta H<0$) and entropy-increasing ($\Delta S>0$) reactions are always favorable; when the two oppose, temperature decides.

Worked example. A reaction has $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ and $\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$. It is endothermic (unfavorable enthalpy) but entropy-increasing, so it becomes favorable only when hot enough. Setting $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ and matching units ($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):

$$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

한국어

깁스 자유 에너지는 엔탈피와 엔트로피를 결합한다:

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$
$\Delta G<0$일 때 과정은 열역학적으로 유리하다. 따라서 발열($\Delta H<0$)이고 엔트로피가 증가하는($\Delta S>0$) 반응은 항상 유리하며, 두 요인이 상쇄될 때는 온도가 결정 역할을 한다.

엔탈피와 엔트로피 변화의 부호에 따른 반응의 유리 여부
엔탈피와 엔트로피 변화의 부호에 따른 반응의 유리 여부

**풀이 예제.**某反应具有$\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$和$\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$。它是吸热的(不利焓变)但熵增,因此只有在足够热时才变得有利。设定$\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$并统一单位($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):

$$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

9.4

Thermodynamic and Kinetic Control · ⁨열역학적 제어와 운동학적 제어⁩

Syllabus
English

Learning Objective 9.4.A: Explain, in terms of kinetics, why a thermodynamically favored reaction might not occur at a measurable rate.

  • 9.4.A.1 Many processes that are thermodynamically favored do not occur to any measurable extent, or they occur at extremely slow rates.
  • 9.4.A.2 Processes that are thermodynamically favored, but do not proceed at a measurable rate, are under "kinetic control." High activation energy is a common reason for a process to be under kinetic control. The fact that a process does not proceed at a noticeable rate does not mean that the chemical system is at equilibrium. If a process is known to be thermodynamically favored, and yet does not occur at a measurable rate, it is reasonable to conclude that the process is under kinetic control.
한국어

학습 목표 9.4.A: 운동학의 관점에서 왜 열역학적으로 선호되는 반응이 측정 가능한 속도로 일어나지 않을 수 있는지 설명한다.

  • 9.4.A.1 열역학적으로 선호되는 많은 과정이 측정 가능한 정도로 일어나지 않거나, 극히 느린 속도로 진행된다.
  • 9.4.A.2 열역학적으로 선호되지만 측정 가능한 속도로 진행되지 않는 과정은 "운동학적 제어" 하에 있다고 한다. 높은 활성화 에너지가 운동학적 제어를 받는 과정의 흔한 원인이다. 과정이 눈에 띄는 속도로 진행되지 않는다는 것이 화학 시스템이 평형 상태임을 의미하지는 않는다. 만약 과정이 열역학적으로 선호됨이 알려져 있음에도 불구하고 측정 가능한 속도로 일어나지 않는다면, 그 과정이 운동학적 제어 하에 있다고 결론 지을 수 있다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

$\Delta G<0$ says a reaction can happen, not that it will happen fast. A reaction can be thermodynamically favorable yet kinetically slow because of a high activation energy (diamond → graphite). Thermodynamics gives the direction; kinetics gives the speed.

한국어

$\Delta G<0$은 반응이 일어날 수 있음을 의미할 뿐, 빠르게 일어날 것을 보장하지 않는다. 반응은 열역학적으로는 유리할 수 있으나 높은 활성화 에너지로 인해 운동학적으로 느릴 수 있다(다이아몬드 → 그래파이트). 열역학은 방향을, 운동학은 속도를 제공한다.

9.5

Free Energy and Equilibrium · ⁨자유 에너지와 평형⁩

Syllabus
English

Learning Objective 9.5.A: Explain whether a process is thermodynamically favored using the relationships between $K$, $\Delta G^{\circ}$, and $T$.

  • 9.5.A.1 The phrase "thermodynamically favored" ($\Delta G^{\circ} < 0$) means that the products are favored at equilibrium ($K > 1$) under standard conditions.
  • 9.5.A.2 The equilibrium constant is related to free energy by the equations
    • Equation: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
    • Equation: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
  • 9.5.A.3 Connections between $K$ and $\Delta G^{\circ}$ can be made qualitatively through estimation. When $\Delta G^{\circ}$ is near zero, the equilibrium constant will be close to 1. When $\Delta G^{\circ}$ is much larger or much smaller than $RT$, the value of $K$ deviates strongly from 1.
  • 9.5.A.4 Processes with $\Delta G^{\circ} < 0$ favor products (i.e., $K > 1$) and those with $\Delta G^{\circ} > 0$ favor reactants (i.e., $K < 1$).
한국어

학습 목표 9.5.A: $K$, $\Delta G^{\circ}$, 그리고 $T$ 사이의 관계에 기초하여 과정이 열역학적으로 선호되는지 설명한다.

  • 9.5.A.1 "열역학적으로 선호된다"($\Delta G^{\circ} < 0$)는 표준 조건에서 평형에서 생성물이 선호됨($K > 1$)을 의미한다.
  • 9.5.A.2 평형 상수는 다음과 같은 식을 통해 자유 에너지와 관련이 있다.
    • 식: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
    • 식: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
  • 9.5.A.3 $K$와 $\Delta G^{\circ}$ 간의 관계는 추측을 통해 정성적으로 연결할 수 있습니다. $\Delta G^{\circ}$가 0에 가까울 때 평형 상수는 1에 가까워집니다. $\Delta G^{\circ}$가 $RT$보다 훨씬 크거나 훨씬 작을 때, $K$의 값은 1에서 크게 벗어납니다.
  • 9.5.A.4 $\Delta G^{\circ} < 0$인 과정은 생성물(즉, $K > 1$)을 선호하고, $\Delta G^{\circ} > 0$인 과정은 반응물(즉, $K < 1$)을 선호한다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Free energy links to the equilibrium constant:

$$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$
So $\Delta G^\circ<0$ gives $K>1$ (products favored), and $\Delta G^\circ>0$ gives $K<1$. At equilibrium $\Delta G=0$.

한국어

자유 에너지는 평형 상수와 연결된다:

$$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$
따라서 $\Delta G^\circ<0$은 $K>1$(생성물 우세)을, $\Delta G^\circ>0$은 $K<1$을给出。평형 상태에서는 $\Delta G=0$이다.

배터리는 자발적인 산화환원 반응의 자유 에너지를 전기적 일로 전환
배터리는 자발적인 산화환원 반응의 자유 에너지를 전기적 일로 전환
9.6

Free Energy of Dissolution · ⁨용해의 자유 에너지⁩

Syllabus
English

Learning Objective 9.6.A: Explain the relationship between the solubility of a salt and changes in the enthalpy and entropy that occur in the dissolution process.

  • 9.6.A.1 The free energy change ($\Delta G^{\circ}$) for dissolution of a substance reflects a number of factors: the breaking of the intermolecular interactions that hold the solid together, the reorganization of the solvent around the dissolved species, and the interaction of the dissolved species with the solvent. It is possible to estimate the sign and relative magnitude of the enthalpic and entropic contributions to each of these factors. However, making predictions for the total change in free energy of dissolution can be challenging due to the cancellations among the free energies associated with the three factors cited.
한국어

학습 목표 9.6.A: 염기의 용해도와 용해 과정에서 발생하는 엔탈피 및 엔트로피 변화 사이의 관계를 설명한다.

  • 9.6.A.1 용해에 따른 자유 에너지 변화($\Delta G^{\circ}$)는 여러 요인을 반영합니다: 고체를 유지하는 분자 간 상호작용의 단절, 용매 내 용해된 종 주위의 재배치, 그리고 용해된 종과 용매 간의 상호작용 등입니다. 각 요인에 대한 엔탈피 및 엔트로피 기여분의 부호와 상대적 크기를 추정할 수 있습니다. 그러나 인용된 세 가지 요인에 해당하는 자유 에너지들 사이의 상쇄 현상으로 인해 용해 전체의 자유 에너지 변화를 예측하는 것은 어려울 수 있습니다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Whether a salt dissolves depends on the free-energy change of dissolving. Dissolving often increases entropy (ordered solid → dispersed ions) but may cost enthalpy; the sign of $\Delta G$ (and thus $K_{sp}$) follows from $\Delta H - T\Delta S$.

한국어

염이 용해되는지는 용해의 자유 에너지 변화에 달려 있다. 용해는 보통 엔트로피를 증가시키지만(정렬된 고체 → 분산된 이온) 엔탈피 비용이 들 수 있습니다; $\Delta G$(즉 $K_{sp}$)의 부호는 $\Delta H - T\Delta S$으로부터 도출됩니다.

9.7

Coupled Reactions · ⁨결합 반응⁩

Syllabus
English

Learning Objective 9.7.A: Explain the relationship between external sources of energy or coupled reactions and their ability to drive thermodynamically unfavorable processes.

  • 9.7.A.1 An external source of energy can be used to make a thermodynamically unfavorable process occur. Examples include:
    • 9.7.A.1.i Electrical energy to drive an electrolytic cell or charge a battery.
    • 9.7.A.1.ii Light to drive the overall conversion of carbon dioxide to glucose in photosynthesis.
  • 9.7.A.2 A desired product can be formed by coupling a thermodynamically unfavorable reaction that produces that product to a favorable reaction (e.g., the conversion of $ATP$ to $ADP$ in biological systems). In the coupled system, the individual reactions share one or more common intermediates. The sum of the individual reactions produces an overall reaction that achieves the desired outcome and has $\Delta G^{\circ} < 0$.
한국어

학습 목표 9.7.A: 외부 에너지원 또는 결합 반응이 열역학적으로 불리한 과정을 구동하는 능력과의 관계를 설명하시오.

  • 9.7.A.1 외부 에너지원을 사용하여 열역학적으로 불리한 과정을 일으킬 수 있습니다. 예시는 다음과 같습니다:
    • 9.7.A.1.i 전지나 배터리 충전, 또는 전해 셀 구동을 위한 전기 에너지.
    • 9.7.A.1.ii 광합성에서 이산화탄소를 포도당으로 전환하는 전체 과정에 사용되는 빛.
  • 9.7.A.2 원하는 생성물을 얻기 위해 해당 생성물을 만드는 열역학적으로 불리한 반응을 유리한 반응에 결합시킬 수 있습니다(예: 생물계에서의 $ATP$를 $ADP$로 변환). 결합된 시스템에서 개별 반응들은 하나 이상의 공통 중간생성물을 공유합니다. 개별 반응들의 합은 원하는 결과를 달성하며 $\Delta G^{\circ} < 0$를 갖는 전체 반응을 만듭니다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

An unfavorable reaction ($\Delta G>0$) can be driven by coupling it to a favorable one ($\Delta G<0$) that shares a common intermediate, as long as the sum has $\Delta G<0$. This is how cells use ATP to power otherwise unfavorable processes.

한국어

불리한 반응($\Delta G>0$)은 공통 매개체를 공유하는 유리한 반응($\Delta G<0$)과 결합되어 추진될 수 있으며, 합계가 $\Delta G<0$인 한 이렇다. 이것이 세포가 ATP를 사용하여 본래 불리한 과정을 작동시키는 방법이다.

9.8

Galvanic and Electrolytic Cells · ⁨갈바닉 셀과 전해 셀⁩

Syllabus
English

Learning Objective 9.8.A: Explain the relationship between the physical components of an electrochemical cell and the overall operational principles of the cell.

  • 9.8.A.1 Each component of an electrochemical cell (electrodes, solutions in the half-cells, salt bridge, voltage/current measuring device) plays a specific role in the overall functioning of the cell. The operational characteristics of the cell (galvanic vs. electrolytic, direction of electron flow, reactions occurring in each half-cell, change in electrode mass, evolution of a gas at an electrode, ion flow through the salt bridge) can be described at both the macroscopic and particulate levels.
  • 9.8.A.2 Galvanic, sometimes called voltaic, cells involve a thermodynamically favored reaction, whereas electrolytic cells involve a thermodynamically unfavored reaction. Visual representations of galvanic and electrolytic cells are tools of analysis to identify where half-reactions occur and in what direction current flows.
  • 9.8.A.3 For all electrochemical cells, oxidation occurs at the anode and reduction occurs at the cathode.
    • Exclusion statement: Labeling an electrode as positive or negative will not be assessed on the AP Exam.
한국어

학습 목표 9.8.A: 전기화학 셀의 물리적 구성 요소와 셀의 전체 작동 원리 간의 관계를 설명하시오.

  • 9.8.A.1 전기화학 셀의 각 구성 요소(전극, 반셀 내 용액, 염桥, 전압/전류 측정 장치)는 셀의 전체 기능에 특정 역할을 수행합니다. 셀의 작동 특성(갈바닉 vs. 전해, 전자 흐름 방향, 각 반셀에서 일어나는 반응, 전극 질량 변화, 전극에서의 기체 발생, 염桥를 통한 이온 이동)은 거시적 수준과 입자 수준 모두에서 기술될 수 있습니다.
  • 9.8.A.2 갈바닉 셀, 때로는 볼타 셀이라고도 함,은 열역학적으로 유리한 반응을 포함하는 반면, 전해 셀은 열역학적으로 불리한 반응을 포함합니다. 갈바닉 셀과 전해 셀의 시각적 표현은 반반응이 발생하는 위치와 전류가 흐르는 방향을 파악하기 위한 분석 도구입니다.
  • 9.8.A.3 모든 전기화학 셀에서 산화는 양극(anode)에서, 환원은 음극(cathode)에서 발생합니다.
    • 제외 사항: AP 시험에서는 전극을 양극 또는 음극으로 표시하는 것은 평가 대상이 아닙니다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English
The galvanic cell

Redox reactions can move electrons through a wire:

  • A galvanic (voltaic) cell 原电池 uses a favorable reaction ($\Delta G<0$) to produce electricity – a battery.
  • An electrolytic cell 电解池 uses electricity to force an unfavorable reaction ($\Delta G>0$).

In both, oxidation happens at the anode 阳极 and reduction at the cathode 阴极.

한국어
갈바닉 셀

산화환원 반응은 전자를 회로를 통해 이동시킬 수 있다:

염桥与伏特计的 galvanic cell
염桥与伏特计的 galvanic cell
  • 갈바니(볼타) 전지는 유리한 반응($\Delta G<0$)을 사용하여 전기 에너지를 생성합니다 – 즉, 배터리입니다.
  • 전해 전지는 전기를 사용하여 불리한 반응($\Delta G>0$)을 강제로 일으킵니다.

두 경우 모두 산화는 **양극(anode)**에서, 환원은 **음극(cathode)**에서 발생합니다.

상용 배터리: 갈바니 전지는 화학적 자유 에너지를 전기적 일로 변환
상용 배터리: 갈바니 전지는 화학적 자유 에너지를 전기적 일로 변환
Explore · ⁨탐색하기⁩

Transfer electrons in a cell · ⁨셀 내에서 전자 이동⁩

In a galvanic cell a spontaneous redox reaction drives electrons through a wire, doing electrical work; oxidation at one electrode, reduction at the other. · ⁨갈바니 셀에서는 자발적인 산화환원 반응이 전선을 통해 전자를 흐르게 하여 전기적 일을 수행하며, 한 극에서는 산화가, 다른 극에서는 환원이 일어납니다.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
anode/ˈænəʊd/ 양극(anode)
cathode/ˈkæθəʊd/ 음극(cathode)
cell potential/sel pəˈtenʃl/ 전지 전위
Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ 넨스트 식
9.9

Cell Potential and Free Energy · ⁨전지 전위와 자유 에너지⁩

Syllabus
English

Learning Objective 9.9.A: Explain whether an electrochemical cell is thermodynamically favored, based on its standard cell potential and the constituent half-reactions within the cell.

  • 9.9.A.1 Electrochemistry encompasses the study of redox reactions that occur within electrochemical cells. The reactions are either thermodynamically favored (resulting in a positive voltage) or thermodynamically unfavored (resulting in a negative voltage and requiring an externally applied potential for the reaction to proceed).
  • 9.9.A.2 The standard cell potential of electrochemical cells can be calculated by identifying the oxidation and reduction half-reactions and their respective standard reduction potentials.
  • 9.9.A.3 $\Delta G^{\circ}$ (standard Gibbs free energy change) is proportional to the negative of the cell potential for the redox reaction from which it is constructed. Thus, a cell with a positive $E^{\circ}$ involves a thermodynamically favored reaction, and a cell with a negative $E^{\circ}$ involves a thermodynamically unfavored reaction.
    • Equation: $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ}$
한국어

학습 목표 9.9.A: 표준 셀 전위와 셀 내 구성 반반응을 기반으로 전기화학 셀이 열역학적으로 유리한지 여부를 설명하시오.

  • 9.9.A.1 전기화학은 전기화학 셀 내에서 일어나는 산화-환원 반응에 관한 연구입니다. 이 반응들은 열역학적으로 유리하여(양전압 발생) либо 열역학적으로 불리하여(음전압 발생 및 반응 진행을 위한 외부 가전위 필요) 두 가지 경우로 나뉩니다.
  • 9.9.A.2 전기화학 셀의 표준 셀 전위는 산화와 환원 반반응 및 각각의 표준 환원 전위를 식별하여 계산할 수 있습니다.
  • 9.9.A.3 $\Delta G^{\circ}$(표준 기브스 자유 에너지 변화)는 이를 구성하는 산화-환원 반응의 셀 전위의 음수 값에 비례합니다. 따라서 양의 $E^{\circ}$를 가진 셀은 열역학적으로 유리한 반응을 포함하고, 음의 $E^{\circ}$를 가진 셀은 열역학적으로 불리한 반응을 포함합니다.
    • 식: $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

The cell potential 电池电势 $E^\circ_{\text{cell}}$ measures the driving force in volts, found from standard reduction potentials ($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$). It links to free energy by

$$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$
where $n$ is moles of electrons and $F$ the Faraday constant. A positive $E^\circ_{\text{cell}}$ means a favorable (galvanic) reaction.

Worked example. A cell pairs a copper cathode ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$) with a zinc anode ($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$). The cell potential is

$$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$
It is positive, so the reaction is spontaneous and the cell (a Daniell cell) acts as a battery.

한국어

전지 전위 $E^\circ_{\text{cell}}$는 볼트 단위의 구동력을 측정하며, 표준 환원 전위($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$)로부터 구할 수 있습니다. 이는 다음 식을 통해 자유 에너지와 연결됩니다.

$$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$
여기서 $n$는 전자의 몰수이고, $F$는 패러데이 상수입니다. 양수인 $E^\circ_{\text{cell}}$는 유리한(갈바니) 반응을 의미합니다.

표준 전극 전위의 전기화학 시리즈
표준 전극 전위의 전기화학 시리즈

worked example. 전지는 구리 음극($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$)과 아연 양극($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$)을 조합합니다. 이 전지의 전위는 다음과 같습니다.

$$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$
이 값은 양수이므로 반응은 자발적이며, 이 전지(다니엘 전지)는 배터리 역할을 합니다.

9.10

Cell Potential Under Nonstandard Conditions · ⁨비표준 조건에서의 전지 전위⁩

Syllabus
English

Learning Objective 9.10.A: Explain the relationship between deviations from standard cell conditions and changes in the cell potential.

  • 9.10.A.1 In a real system under nonstandard conditions, the cell potential will vary depending on the concentrations of the active species. The cell potential is a driving force toward equilibrium; the farther the reaction is from equilibrium, the greater the magnitude of the cell potential.

  • 9.10.A.2 Equilibrium arguments such as Le Châtelier's principle do not apply to electrochemical systems, because the systems are not in equilibrium.

  • 9.10.A.3 The standard cell potential $E^{\circ}$ corresponds to the standard conditions of $Q = 1$. As the system approaches equilibrium, the magnitude (i.e., absolute value) of the cell potential decreases, reaching zero at equilibrium (when $Q = K$). Deviations from standard conditions that take the cell further from equilibrium than $Q = 1$ will increase the magnitude of the cell potential relative to $E^{\circ}$. Deviations from standard conditions that take the cell closer to equilibrium than $Q = 1$ will decrease the magnitude of the cell potential relative to $E^{\circ}$. In concentration cells, the direction of spontaneous electron flow can be determined by considering the direction needed to reach equilibrium.

  • 9.10.A.4 Algorithmic calculations using the Nernst equation are insufficient to demonstrate an understanding of electrochemical cells under nonstandard conditions. However, students should qualitatively understand the effects of concentration on cell potential and use conceptual reasoning, including the qualitative use of the Nernst equation:

    • Equation: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$

    to solve problems.

한국어

학습목표 9.10.A: 표준 전지 조건과의 편차가 전지 전위의 변화와 어떤 관계가 있는지 설명하시오.

  • 9.10.A.1 비표준 조건 하의 실제 시스템에서 전지 전위는 활성 종의 농도에 따라 달라진다. 전지 전위는 평형으로 가는 구동력으로서, 반응이 평형으로부터 얼마나 떨어져 있는지에 따라 전지 전위의 크기(절대값)가 커진다.
  • 9.10.A.2 르 샤틀리에의 법칙과 같은 평형 논리는 전기화학 시스템에는 적용되지 않는데, 이는该系统이 평형 상태가 아니기 때문이다.
  • 9.10.A.3 표준 전지 전위 $E^{\circ}$은 $Q = 1$에 대한 표준 조건에 대응한다. 시스템이 평형에 가까워짐에 따라 전지 전위의 크기(즉, 절대값)는 감소하여 평형에서 0이 된다($Q = K$일 때). $Q = 1$보다 평형으로부터 더 멀리 떨어뜨리는 표준 조건からの 편차는 $E^{\circ}$에 비해 전지 전위의 크기를 증가시킨다. $Q = 1$보다 평형에 더 가까이 가져가는 표준 조건からの 편차는 $E^{\circ}$에 비해 전지 전위의 크기를 감소시킨다. 농도 전지에서는 평형에 도달하기 위해 필요한 방향을 고려하여 자발적인 전자 흐름의 방향을 결정할 수 있다.
  • 9.10.A.4 네른스트 방정식을 이용한 알고리즘적 계산만으로는 비표준 조건 하의 전기화학 전지에 대한 이해를 입증하기에 충분하지 않다. 그러나 학생들은 농도가 전지 전위에 미치는 영향을 정성적으로 이해하고, 네른스트 방정식의 정성적 사용을 포함한 개념적 추론을 사용하여:
    • 식: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$

문제를 해결해야 한다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Away from standard conditions, the potential shifts with concentration – the Nernst equation 能斯特方程 (qualitatively): as reactants are consumed, $Q$ rises and $E_{\text{cell}}$ falls, reaching zero at equilibrium (a dead battery). Changing a concentration shifts $E_{\text{cell}}$ the way Le Chatelier predicts.

한국어

표준 조건에서 벗어난 상태에서는 농도에 따라 전위가 변화하는데, 이를 넌스트 방정식(질적으로 설명)으로 나타냅니다. 반응물이 소모됨에 따라 $Q$가 증가하고 $E_{\text{cell}}$이 감소하여 평형 상태에서는 0이 됩니다(배터리 방전). 농도를 변경하면 르 샤틀리에 원리가 예측하는 방향으로 $E_{\text{cell}}$이 이동합니다.

9.11

Electrolysis and Faraday's Law · ⁨전해 및 패러데이의 법칙⁩

Syllabus
English

Learning Objective 9.11.A: Calculate the amount of charge flow based on changes in the amounts of reactants and products in an electrochemical cell.

  • 9.11.A.1 Faraday's laws can be used to determine the stoichiometry of the redox reaction occurring in an electrochemical cell with respect to the following:
    • 9.11.A.1.i Number of electrons transferred
    • 9.11.A.1.ii Mass of material deposited on or removed from an electrode (as in electroplating)
    • 9.11.A.1.iii Current
    • 9.11.A.1.iv Time elapsed
    • 9.11.A.1.v Charge of ionic species
    • Equation: $I = q/t$
한국어

학습 목표 9.11.A: 전기화학 셀에서 반응물과 생성물의 양의 변화에 기반하여 전하 흐름량을 계산한다.

  • 9.11.A.1 패러데이의 법칙을 사용하여 다음 사항과 관련하여 전기화학 셀에서 일어나는 산화환원 반응의 화학양론적 관계를 결정할 수 있다:
    • 9.11.A.1.i 이동한 전자 수
    • 9.11.A.1.ii 전극에 도금되거나 제거된 물질의 질량(도금 과정 등)
    • 9.11.A.1.iii 전류
    • 9.11.A.1.iv 경과 시간
    • 9.11.A.1.v 이온 종의 전하량
    • 식: $I = q/t$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English
Electrolysis

In electrolysis 电解, the charge passed determines how much substance is deposited or produced – Faraday's law 法拉第定律. Convert current × time to charge, charge to moles of electrons ($F=96{,}485$ C/mol), then use the half-reaction's electron ratio to get moles (and mass) of product.

Worked example. A current of $2.0\ \text{A}$ flows for $30\ \text{minutes}$ through copper(II) sulfate ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$). How much copper is deposited? The charge is $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$, giving $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ of electrons. Since each Cu needs $2$ electrons, $0.0187\ \text{mol}$ of Cu forms, a mass of $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$.

한국어
전해

전해에서 흐른 전하량은 침착되거나 생성되는 물질의 양을 결정합니다 – 이것이 패러데이의 법칙입니다. 전류 × 시간을 전하량으로 변환한 후, 전하량을 전자의 몰수로($F=96{,}485$ C/mol) 변환하고, 반반응의 전자 비율을 사용하여 생성물의 몰수(및 질량)를 구합니다.

전해: 이온이 전극으로 이동하여 방전됨
전해: 이온이 전극으로 이동하여 방전됨

연습 문제. $2.0\ \text{A}$의 전류가 $30\ \text{minutes}$ 동안 구리(II)황산염($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$)을 통과할 때, 구리는 얼마나 도금되는가? 총 전하량은 $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$이며, 이는 $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$개의 전자에 해당한다. Cu 원자 하나당 $2$개의 전자가 필요하므로, $0.0187\ \text{mol}$mol의 Cu가 생성되어 질량은 $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$이다.

Explore · ⁨탐색하기⁩

Electrolyse a molten salt · ⁨용융 염료 전기분해하기⁩

Electrolysis uses current to force a non-spontaneous reaction: positive ions gain electrons at the cathode, negative ions lose them at the anode. Charge sets the amount deposited. · ⁨전해는 전류를 사용하여 비자발적 반응을 강요합니다: 양이온은 음극에서 전자를 얻고, 음이온은 양극에서 이를 잃습니다. 전하량은 침전되는 양을 결정합니다.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
electrolytic cell/ɪˌlektrəˈlɪtɪk sel/ 전해 셀(electrolytic cell)
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ 전해
Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ 패러데이의 법칙
9.11

Exam tips · ⁨시험 팁⁩

English
  • A process is thermodynamically favourable when $\Delta G<0$; combine enthalpy and entropy with $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ (match units — kJ vs J).
  • Entropy increases solid→liquid→gas and when more gas moles are produced.
  • Favourable does not mean fast — a high activation energy can make a $\Delta G<0$ reaction extremely slow (kinetic control).
  • In electrochemistry a positive $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ means a spontaneous (galvanic) cell; oxidation is at the anode, reduction at the cathode.
  • In electrolysis the charge passed ($Q=It$) fixes the amount deposited (Faraday's law).
한국어
  • 과정이 열역학적으로 유리하기 위해서는 $\Delta G<0$이어야 합니다; 엔탈피와 엔트로피를 $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$(단위 확인 — kJ vs J)에 결합하십시오.
  • 엔트로피는 고체→액체→기체로 상태가 변하거나 더 많은 기체 몰수가 생성될 때 증가합니다.
  • 유리함(favourable)은 빠름을 의미하지 않습니다. 높은 활성화 에너지는 유리한($\Delta G<0$) 반응을 극도로 느리게 만들 수 있으며, 이는 **운동학적 제어(kinetic control)**에 해당합니다.
  • 전기화학에서 양수인 $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$는 자발적인(갈바니) 전지를 의미하며, 산화는 **양극(anode)**에서, 환원은 **음극(cathode)**에서 발생합니다.
  • 전해에서 흐른 전하량($Q=It$)은 침착되는 물질의 양을 결정합니다(패러데이의 법칙).

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