포텐시오스탯의 방정식

패러데이의 법칙

전류가 일정한 전위로 흐르면 패러데이의 법칙에 따라 전기화학 반응이 일어나야 합니다:

이 방정식은 전극을 통해 흐르는 전하 Q는 전극에서 z 전자를 가져가거나 준 종의 양 n에 비례한다는 것을 나타냅니다. F는 패러데이 상수이며 1몰 전자의 전하를 나타냅니다. 전류 I는 전극을 통해 흐르는 시간 t당 전하 Q입니다:

방정식 3.1과 3.2의 조합은 흐르는 전류 I가 전극에서 일어나는 반응에 n이라는 양을 통해 연결되어 있음을 보여줍니다:

넌스트 방정식

이제 기준 전극에 전류가 흐르고 있다고 상상해 보세요. 이 전극에서 종의 n 양이 변환됩니다. 이 변환은 전극을 둘러싼 용액의 표면 또는 농도의 변화로 이어집니다. 넌스트 방정식은 전극의 전위 E와 그 주변 사이의 명확한 상관관계를 보여줍니다:

^E0은 산화 환원 커플 Red와 Ox의 표준 전위입니다. R은 기체 상수이고 T는 온도입니다. 주변 용액에서 산화 및 환원된 형태의 _aOx 및 _aRed 종의 활성은 항상 예측하기 쉬운 것은 아닙니다. 따라서 방정식을 단순화해야 하는 경우가 많습니다:

두 개의 활성 계수 _{fOx와 fRed는} 결과 전위 E0^'에 포함되며, 이를 공식 전위라고 합니다. 여기에는 온도 및 활성 계수와 같이 환경에 따라 달라지는 매개변수가 포함되어 있으므로 E0^' 는 나열할 수 없으며 필요한 경우 각 실험마다 결정해야 합니다. 분석 화학의 대부분의 실험은 실온(295 K)에서 수행됩니다. 따라서 또 다른 단순화가 가능합니다. 또한 편의상 ln은 로그에 전송됩니다.

실제 적용을 위해 방정식 3.6은 넌스트 방정식의 가장 많이 사용되는 형태입니다. 많은 애플리케이션에서 두 활동 계수가 모두 1에 가깝기 때문에 ^E0은 E0^'와 거의 같다고 가정할 수 있습니다.

이 형태(방정식 3.6)에서는 전극 주변과 전위 사이의 상관관계를 더 쉽게 볼 수 있습니다.

앞서 언급했듯이 방정식 3.4의 모든 단순화가 수행되었습니다: 흐르는 전류로 인해 기준 전극을 둘러싼 용액의 변화는 우리의 고정 기준점이 되어야 하는 전위의 변화로 이어집니다. 그러나 모든 제한은 우리가 조사하고자 하는 프로세스, 즉 작동 전극(WE)에서의 프로세스에 의해 발생해야 하기 때문에 기준 전극(RE)을 통한 전류 흐름을 제한할 수 없습니다.

세 번째 전극 사용

고정 기준점을 만들기 위해 세 번째 전극을 사용합니다.

보조 전극이라고도 하는 이 카운터 전극(CE)에서 작동 전극의 반응에 대한 반작용이 일어납니다. 전류는 작동 전극과 카운터 전극 사이에 흐릅니다. 전위는 작동 전극과 기준 전극 사이에서 제어됩니다(그림 3.1 참조).

카운터 전극과 기준 전극 사이의 전위는 작동 전극과 기준 전극 사이의 특정 전위에서 작동 전극을 통해 흐르는 전류가 만족되도록 조정됩니다. 전위차계가 RE와 WE(DC 전위 범위) 및 CE와 WE(규정 전압) 사이에 적용할 수 있는 전위에는 제한이 있습니다.

RE와 WE 사이의 전위를 제어하기 때문에 DC 전위 범위의 한계 내에서 쉽게 유지할 수 있습니다. 규정 준수 전압은 사용자가 제어할 수 없으므로 CE는 WE보다 커야 합니다. 동일한 전위에서 더 큰 표면은 더 높은 전류로 이어지며 CE는 규정 전압에 부딪히지 않고 충분한 전류를 공급해야 합니다.

경험상 CE는 WE보다 100배 이상 커야 합니다. 많은 실험에서는 필요하지 않을 수도 있지만, 좋은 실습을 위해서는 CE가 WE에서 흐르는 전류를 제한하지 않을 정도로 충분히 큰지 확인해야 합니다.

일반적으로 CE와 WE 사이의 거리는 충분히 커서 두 전극의 반응이 서로 영향을 미치지 않고 역반응은 무시할 수 있지만, 예를 들어 소량인 경우에는 역전극에서 어떤 반응이 일어나는지 아는 것이 도움이 될 수 있습니다.

전위는 기준 전극과 작동 전극 사이에 적용되고 전류는 작동 전극과 카운터 전극을 통해 흐릅니다. 이렇게 하면 전위에 대한 일정한 기준점이 유지됩니다.