Ionization Tendency & Standard Reduction Potential(이온화 경향과 표준환원전위)

모든 금속은 수용액 중에서 전자를 잃고 산화하려는 특징이 있습니다. 각각의 금속이 이온이 되려는 정도를 이를 이온화 경향이라 하며, '이온화 경향(Ionization Tendency)'이 클수록 이온이 되기 쉬운 금속임을 의미합니다. 아래는 이온화 경향이 큰 것(K)부터 작은 것(Au)까지 나열한 것입니다.

 

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > H(수소) > Cu > Hg > Au > Pt > Au

 

이러한 금속의 이온화 경향을 수치화한 것을 '표준환원전위(E⁰, Standard Reduction Potential)'이라고 합니다. 표준환원전위는 개별적으로 측정되기 어려우며, 아래의 그림과 같이 전압계(voltmeter)를 이용하여 표준 상태*에서의 두 반쪽반응의 전위차를 이용하여 표준환원전위를 측정합니다. 단, 비표준 상태에서는 Nernst equation을 이용하여 전위차를 구할 수 있습니다.

*25℃를 기준으로 반응에 참여하는 모든 화학종의 활동도가 1인 것을 의미하며, 즉 이온의 활동도 계수가 1이라면 이온 농도는 1M에 해당함

 

표준 수소 전극의 반쪽 반응: 2H⁺_(aq) + 2e^- → H_2(g)     E⁰ = 0V

금속판 반쪽 반응: Cu²⁺_(aq) + 2e^- → Cu_(s)     E⁰ = 0.34V

 

표준환원전위는 그 수치가 클수록 환원성이 크고(산화제), 작을수록 산화성이 커짐(환원제)을 의미하며, 따라서 환원 전위값이 큰 것을 양극과 작은 것을 음극에 연결한다면 자발적으로 구동되는 전지(갈바닉 전지, Galvanic Cell)를 구성할 수 있습니다. 따라서, 두 금속간에 표준환원전위의 차가 클수록 전지의 기전력도 커지게 됩니다.

 

아래는 주요 금속의 표준환원전위를 나타낸 것이며, 위의 나열에서 알 수 있듯이 수소의 표준환원전위(0V, 정의된 값)를 기준으로 (⁺/_-)가 나누어지는 것을 확인할 수 있습니다.

 

Table 1. Standard Reduction Potential

Reduction Half-Reaction	E0 (V)			Remark
Ag+(aq) + e- → Ag(s)	0.80			Stronger Oxidizing Agent
Fe3+(aq) + e- → Fe2+(aq)	0.77
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)	0.34
Sn4+(aq) + 2e- → Sn2+(aq)	0.15
2H+(aq) + 2e- → H2(g)	0
Pb2+(aq) + 2e- → Pb(s)	-0.13
Ni2+(aq) + 2e- → Ni(s)	-0.26
Cd2+(aq) + 2e- → Cd(s)	-0.40
Fe2+(aq) + 2e- → Fe(s)	-0.45
Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s)	-0.76
2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq)	-0.83
Na+(aq) + e- → Na(s)	-2.71
Li+(aq) + e- → Li(s)	-3.04			Stronger Reducing Agent