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화 학 전 지
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화 학 전 지 |
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금속의 이온화되는 정도의 차이를 이용니다. |
묽은 황산(H2SO4) 용액과 같은 산에 금속을 넣으면 금속은 잘 녹는다고 했습니다.
여기에 두개의 금속, 철과 구리를 함께 넣으면 어떻게 될까요? 이온화 경향이 작은
구리는 변화가 없고 철만 녹아 다음과 같은 반응이 일어납니다.
Fe → Fe2+ + 2e ( 산화 )
H+ + 2e → H2↑ ( 환원)
즉, 철이 녹으면서 내놓는 전자를 용액 중의 수소 이온이 얼른 달려와 받게 되지요.
그래서 철 주변에서 수소 기체가 발생하게 됩니다.
이번에는 철과 구리 금속 사이를 도선과 꼬마 전구로 연결하면 약간 다른 현상을
볼 수 있습니다.
철이 내놓은 전자는 얼른 도선을 타고 구리 쪽으로 이동하게 됩니다. 그러니 전자를
좋아하는 수소 이온은 구리 쪽으로 몰리고 구리 주변에서 수소 기체가 발생하게 되
지요. 산화·환원 과정은 위의 반응식과 같으나 도선을 연결하냐 아니냐에 따라
다음과 같은 두가지 차이가 있는겁니다.
① 도선에 전자가 흐르고 꼬마 전구에 불이 들어온다.
② 수소 기체가 구리 주변에서 발생한다.
꼬마 전구에 불이 들어오므로 이 장치는 전원으로 작용하는 셈입니다. 그래서
화학전지라고 부른답니다.
정리하면 화학 전지는 이온화 경향이 다른 두 개의 금속을 전해질 용액에 담가
화학에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치입니다.
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전자는 (-)극에서 (+)극으로 흐릅니다. |
이온화 정도가 큰 금속(A) 에서 내놓은 전자가 이온화 정도가 작은 금속 (B) 쪽으로
이동하므로 금속 A가 (-)극, 금속 B가 (+) 극이 됩니다.
물론 전류의 방향은 전자의 방향과 반대이므로 금속 B →금속 A 가 됩니다.
화학전지 속에는 반드시 전해질 용액이 들어 있어야 합니다. 이동한 전자를 받을
이온이 필요하기 때문입니다.
화학전지의 구조를 정리하면 다음과 같습니다.
(-)극 |
전해질
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(+)극 |
이온화경향 큰 금속 |
이온화 경향 작은 금속 |
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전자를 내놓는다. 산화되기 쉽다. |
전자를 얻는다. 환원되기 쉽다. |
전자의 이동 방향 -------------------→
전류의 이동 방향 ←------------------------
화학 전지로 전류를 흐르게 한다는 것은 두 금속 사이에 전압이 생긴다는 의미입
니다. 이 때 두 금속 사이의 이온화 경향의 차이가 클수록 전압이 커집니다.
이온화 경향의 순서가 Mg > Cu > Ag 인 경우 전압은 다음과 같습니다.
Mg - Cu : 1.6V Cu - Ag : 0.02V
Mg - Ag : 1.8V
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아연판과 구리판을 두 극으로 사용한 전지입니다. |
세계 최초의 전지는 이탈리아의 물리학자 볼타가 만든 볼타전지입니다.
볼타전지는 (-)극을 아연판으로, (+)극을 구리판으로 하여 묽은 황산 용액(전해질)
에 담그고 도선을 연결한 것입니다.
(-)극 : Zn → Zn2+ + 2e [ 산화 반응. 아연판이 녹는다.]
(+)극 : 2H+ + 2e → H2 [ 환원반응. 수소 기체 발생 ]
전체반응 : Zn + 2H+ → Zn2+ + H2↑
이 때 주의할 것은 (+)극인 구리판에서는 구리가 전혀 반응하지 않고 수소 기체가
발생한다는 것입니다. 구리판은 도선을 연결하여 전자가 이동할 길을 만들기 위해
사용되었다고 생각하면 됩니다. 황산 이온(SO42-)도 반응에 참여하지 않는 구경꾼
이온입니다.
볼타 전지는 전해질 용액이 노출된 구조여서 휴대하기가 불편한 단점이 있습니다.
또한 처음의 전압은 약 1.09V 이지만 금방 전압이 낮아져 실용적이지 못하답니다.
전압이 낮아지는 이유는 분극현상 때문입니다.
분극 현상은 수소 기체가 미처 빠져 나가지 못해 구리판 주변을 둘러싸면서 전자
의 이동을 방해하는 현상을 말합니다.
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아연판과 탄소 막대를 전극으로 사용한 전지입니다. |
볼타 전지의 단점을 보완하고 실용화시킨 것이 건전지입니다.
먼저 휴대하기 불편한 문제는 아연통 속에 전해질 용액을 종이나 솜 속에 흡수시켜
놓으므로써 해결했습니다.
분극 작용의 문제 해결을 위해서는 발생한 수소 기체를 재빨리 처리할 물질(소극제)을
넣었습니다. 건전지에서는 이산화망간(MnO2)을 넣었는데, 이외에도 소극제로 많이
사용하는 물질로는 과산화수소(H2O2) 가 있습니다.
다 쓴 건전지를 뜯어보면 검은 죽이 있는 것을 볼 수 있는데, 이것은 수소 기체와 소극
제의 산소가 반응하여 생성된 물이 탄소 가루를 반죽한 것이랍니다.
건전지는 아연통을 (-)극으로, 탄소 막대를 (+)극으로 하고, 전해질 용액으로는 염화
암모늄(NH4Cl) 을 사용합니다.
일어나는 반응은 볼타 전지와 같아서 (-)극에서는 아연이 녹으면서 전자를 발생시키고
(+)극에서는 수소 기체가 발생합니다. 탄소는 반응에 참여하지 않습니다.
이외에도 요즘 납, 니켈, 수은 등을 사용한 전지들이 널리 쓰이는데, 이들은 모두 물에
잘 녹지 않는 중금속들이어서 폐기가 마땅치 않아 고민중이죠. 다 쓴 전지를 아무 생각
없이 버리는 것은 환경을 오염시키는 일이니 주의해야겠습니다.
