5-5-2. 화학 전지[I]
1. 화학 전지의 원리/2. 볼타 전지/3. 다니엘 전지/
우리 일상 생활에서 흔히 쓰이는 전지는
이제 없어서는 안될 귀중한 에너지 원입니다.
여러분들이 많이 애용하는 삐삐, 카세트 등에 쓰이는
건전지나 니카드 충전지 따위는
화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치입니다.
이 단원에서는 화학 전지의 원리가 무엇인지를 배우게 됩니다.
아연판을 황산에 넣으면 반응하여 수소가 발생합니다.
Zn(s) + H2SO4(aq) --> ZnSO4(aq) + H2(g)
이 반응의 알짜 이온 반응식을 나타내면 다음과 같습니다.
Zn + 2H+ --> Zn2+ + H2
아연이 수소보다 이온화 경향이 크므로
수소 이온에게 전자를 주고 양이온으로 되며
수소 이온은 전자를 받아 수소 기체가 생깁니다.
아연판 표면에서 아연은 산화하고 수소는 환원하는 것이죠.
만일 황산 속에 아연판과 구리판을 넣고 도선으로 연결하면
이번에는 아연판 표면에서
수소 이온과의 사이에 전자를 주고 받는 게 아니라
아연이 구리보다 이온화 경향이 크므로
아연이 산화하여 양이온으로 되어 녹고
이 때 생긴 전자가 아연판에서 구리판으로 이동하여
구리판에 모인 전자를
수용액 속의 수소 이온이 받아 환원하여 수소 기체로 됩니다.
이것이 화학 전지의 기본 원리입니다.
위 그림과 같은 전지를 볼타 전지라 합니다.
아연이 구리보다 반응성이 커서
쉽게 산화하여 용액 속으로 녹아 들어가며
이 때 생긴 전자가 도선을 따라 구리판으로 이동하게 됩니다.
구리판으로 온 전자를 용액 속의 수소 이온이 환원하여
수소 분자로 되어 소모함으로써
계속적인 전자의 이동을 촉진하게 되는 것이죠.
여러분들은 전류가 (+)극에서 (-)극으로 흐른다는 것을
배워서 알고 있을 겁니다.
그러면 위 그림에서 (+)극과 (-)극은 어떻게 구분할까요?
간단합니다.
전자는 (-) 전기이므로 전자 흐름의 반대 방향이 전류가 흐르는 방향이고,
따라서 구리판이 (+)극, 아연판이 (-)극이 되겠지요.
이제 여러분들이 반드시 기억할 일은
전지는 (-)극[마이너스극]에서 산화가 일어난다는 사실입니다.
(-)극[아연판] Zn --> Zn2+ + 2e- ; 산화
(+)극[구리판] 2H+ + 2e- --> H2 ; 환원
(-)극[아연판] Zn --> Zn2+ + 2e- ; 산화
(+)극[구리판] Cu2+ + 2e- --> Cu ; 환원
다음 그림에서 (-)극에서는 아연이 산화하여 녹아 들어가고
전자가 구리판 쪽으로 이동하며,
(+)극에서는 용액 속의 구리 이온이 환원하여 구리판에 달라붙으므로
(-)극은 점점 가벼워지고 (+)극은 점점 무거워집니다.
이온의 균형을 맞추기 위하여,
황산구리 용액이 들어 있는 전해조에서 Cu2+이온이 석출되므로
상대적으로 황산 이온(SO42-)이 많은 (+) 전해조에서
(-) 전해조 쪽으로(오른쪽에서 왼쪽으로)
염다리를 통하여 황산 이온이 이동합니다.
(-) 전해조에는 아연이 계속 이온화하여 점점 양이온이 많아지므로
염다리를 통해 왼쪽에서 오른쪽으로 아연 이온(Zn2+)이 이동합니다.
그러므로 만일 염다리가 없다면
전체 회로가 구성되지 않으므로 전류가 흐르지 않겠죠?
자동차용으로 흔히 쓰이는 납축전지는
충전해서 되풀이 사용할 수 있는 전지로서 2차 전지입니다.
방전이란 전지로부터 전기 에너지를 외부로 꺼내 쓰는 과정이고
충전은 외부에서 전기 에너지를 보충해 주는 과정입니다.
충전을 하려면 그 전지가 갖는 기전력(전압)보다
조금 더 높은 전압을 걸어 주어야 합니다.
1차 전지는 건전지와 같이 한번 다 쓰면 더 쓸 수 없는 1회용 전지이고,
2차 전지는 충전해서 다시 쓸 수 있는 전지로서
납축전지나 여러분들이 흔히 카세트에
많이 쓰는 니카드(Ni-Cd) 전지들을 말합니다.
자원의 효율적 이용이나 환경 문제를 생각한다면
1차 전지보다는 될 수 있는 대로 2차 전지를 쓰는 게 더 좋겠죠?