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[일반화학]

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25℃에서 산성 용액을 보관중인 대형 철 컨테이너는 다음과 같은 철 부식 반응이 일어난다.

\displaystyle \mathrm{Fe^{2+}(aq)+2e^- \rightarrow Fe(s)} \ \dddot \ \ E^\circ=-0.440\mathrm{V}

이 때 대기 중의 산소가 물로 환원되는 반응도 일어난다.

\displaystyle \mathrm{O_2(g)+4H^+(aq)+4e^- \rightarrow 2H_2O(l)} \ \dddot \ \ E^\circ=+1.230\mathrm{V}

\displaystyle [\mathrm{Fe^{2+}}]=0.244\mathrm{M},\ [\mathrm{H^+}]=0.0390\mathrm{M}일 때, 부식이 일어나지 않도록 철 컨테이너와 용액 사이에 전압을 걸어주려고 한다. 부식이 일어나지 않을 전압값의 최소값은? 단, 과전압은 0이라 가정한다.

가장 먼저 표준 emf를 네른스트식을 사용하여 실제 emf로 바꾸어야 한다.

공기 중 산소는 21%를 차지하므로, 공기의 산소 분압은 0.21\mathrm{atm}이다.

반쪽 반응을 합친 전체 반응
\mathrm{O_2(g)+4H^+(aq)+2Fe(s)\rightarrow 2H_2O(l)+2Fe^{2+}(aq)} 이고, 표준 emf는 1.230-(-0.440)=1.670\mathrm{V} 이고,

네른스트식에 의해 주어진 농도에서의 emf는

\displaystyle E = E^{\circ} - \dfrac{0.0592}{n_{e^-}} \log \dfrac{[\text{Fe}^{2+}]^2}{P_{\text{O}_2} [\text{H}^{+}]^4} = 1.670 - \dfrac{0.0592}{4} \log \dfrac{(0.244)^2}{(0.21)(0.309)^4} = 1.648\text{V}이다.

따라서 위 반응은 자발적으로 1.648\mathrm{V}의 전압이 걸리며, 이를 상쇄하기 위해서는 역으로 1.648\mathrm{V}의 전압을 걸어 부식을 막아야 한다.

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