5-5-5. 전기 분해
1. 전기 분해 반응의 원리/극반응/2. 패러데이의 법칙/
3. 수용액에서 방전하지 않는 이온들/4. 전기 분해의 응용
전기 분해는 화학 전지와는 반대로
외부에서 가해 준 전기 에너지를
화학 에너지로 바꾸게 됩니다.
이제 배울 내용은 전기 분해의 원리와 응용이
어떤 이론적 바탕에서
이루어지는지에 관한 것입니다.
전해질 수용액에 전극을 담그고
직류 전류를 흘리면 수용액 속의 이온들이
각각 반대 전하를 띤 극쪽으로 움직여 가서
산화 환원 반응을 일으키게 됩니다.
예를 들어 염화구리(II) 수용액을 전기 분해한다고 생각합시다.
염화구리(II)가 물 속에서 이온화하면
CuCl2 --> Cu2+ + 2Cl- 로 되어
구리 이온(Cu2+)과 염화 이온(Cl-)이 생기고
(-)극으로는 구리 이온이 끌려가서
Cu2+ + 2e- --> Cu로 환원 반응이 일어나고
(+)극으로는 염화 이온이 끌려가서
2Cl- --> Cl2 + 2e- 로 산화 반응이 일어납니다.
이와 같이 전극에서 전하를 잃는 현상을 방전이라고 합니다.
[정리] 꼬옥 기억하세요!!
전지는 (-)극에서 산화
한 가지만 외우면 됩니다.
가령 운동 선수들이 겨울에 따뜻한 마산으로 전지 훈련간다고
말을 만들어 보면
전지는 마이너스 극에서 산화라고 하면 되겠죠?
그밖의 것은 모두 반대이니까 전기 분해는 (+)극에서 산화,
(-)극에서 환원일 것이고 전지는 (+)극에서 환원이네요.
패러데이의 법칙은 다음과 같이 나타냅니다.
석출되는 양은 통해준 전하량에 비례한다.
같은 전기량으로 석출되는 양은 (화학식량/이온가)에 비례한다.
우선 용어가 나타내는 뜻을 하나씩 살펴봅니다.
전하량은 쿨롬(C)로 나타내는데,
1A(암페어)의 전류를 1초 동안 흘렸을때의 전하량을 1C라 합니다.
즉, 전하량(C) = 전류(A) X 시간(초) 로 계산하지요.
10 A 전류를 100 초 동안 흘렸을 때 통해준 전하량은
10 A X 100 초 = 1000 C처럼 셈하면 됩니다.
전자 1몰이 갖는 전하량을 1F(패럿 또는 패러데이)라 하는데,
이것을 쿨롬으로 나타내면 96500 C입니다.
1F = 96500 C으로 석출되는 양을 1g 당량이라고도 합니다.
구리 이온(Cu2+) 1개로부터
구리 원자 1개가 석출되려면 전자 2개가 필요합니다.
따라서 구리 1몰 석출에 필요한 전자는 전자 2몰이므로
전자 1몰-1F-에 의해 석출되는 구리의 질량은
구리 0.5몰의 질량과 같으므로 구리의 원자량의 절반이 될 것입니다.
어떤 원소 M의 원자량이 m, 이온 상태에서 Mn+ 일 때
M원자 1개가 석출되기 위해 전자가 n개 필요하므로
M원자 1몰 석출에 필요한 전자는 n몰-n F-입니다.
M원자 1몰이 m 그램이므로
1F로 석출할 수 있는 원소 M의 질량은 m/n 이 됩니다.
이것을 일반화하면 1F로 석출되는 질량은 (원자량)/(원자가) 입니다.
반응성이 매우 큰 금속 이온들은
수용액 속에서 방전하지 않고 대신 수소가 발생합니다.
이온화 경향 서열에서 알루미늄까지는 금속의 반응성이 매우 커서
수용액에서 환원하기 어렵기 때문에 대신 물이 전기 분해되는 겁니다.
비금속성이 매우 큰 원소들로 이루어진
F-, SO42-, PO43-, CO32-, NO3-...
등의 음이온들 또한 수용액 속에서 방전하지 않고
대신 산소가 발생합니다.
(+)극[양극]에서 방전(산화)하지 않는 음이온
F-, SO42-, PO43-, CO32-, NO3-...
대신 물이 산화합니다. => 2H2O(l) --> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-
(-)극[음극]에서 방전(환원)하지 않는 양이온
K+, Ca2+, Na+, Mg2+, Al3+...
대신 물이 환원됩니다. => 2H2O(l) + 2e- --> H2(g) + 2OH-(aq)
(예) 다음 물질들의 수용액의 전기 분해 결과에 대하여 예측하여라.
(1) Na2SO4(aq)
(2) Cu(NO3)2(aq)
(3) CuCl2(aq)
(4) NaCl(aq)
[풀이]
(+)극으로는 (-)이온이, (-)극으로는 (+)이온이 우선 끌려갈 것이고,
그 뒤로 각각의 이온이 극에서 산화 또는 환원하는가를 판단합니다.
(풀이 1)
(+)극 ; 황산 이온(SO42-)이 끌려가지만
방전(산화)하지 않고 대신 물이 산화합니다.
2H2O(l) --> O2(g) + 4H+(aq) + 4e- 산소가 발생하고
극판 근처의 pH가 낮아집니다.
(-)극 ; 나트륨 이온(Na+)이 끌려가지만
방전(환원)하지 않고 대신 물이 환원합니다.
2H2O(l) + 2e- --> H2(g) + 2OH-(aq) 수소가 발생하고
극판 근처의 pH가 높아집니다.
그러나 전기 분해를 중지하고 내버려 두면
극판 양쪽의 용액이 서로 섞여 중화하므로
pH가 중성으로 돌아옵니다.
결국 물을 전기 분해한 것과 같은 결과를 얻습니다.
(풀이 2)
(+)극 ; 질산 이온(NO3-)이 끌려가지만
방전(산화)하지 않고 대신 물이 산화합니다.
2H2O(l) --> O2(g) + 4H+(aq) + 4e- 산소가 발생하고
극판 근처의 pH가 낮아집니다.
(-)극 ; 구리 이온(Cu2+)이 환원하여 석출되므로
(-)극판 무게가 늘어납니다.
(풀이 3)
(+)극 ; 염화 이온(Cl-)이 산화하여 염소 기체가 생깁니다.
(-)극 ; 구리 이온(Cu2+)이 환원하여 석출되므로
(-)극판 무게가 늘어납니다.
(풀이 4)
(+)극 ; 염화 이온(Cl-)이 산화하여 염소 기체가 생깁니다.
(-)극 ; 나트륨 이온(Na+)이 끌려가지만
방전(환원)하지 않고 대신 물이 환원합니다.
2H2O(l) + 2e- --> H2(g) + 2OH-(aq) 수소가 발생하고
극판 근처의 pH가 높아집니다.
앞에서 공부한 것처럼 나트륨, 마그네슘, 알루미늄 등은
수용액을 전기 분해해서는 얻을 수 없고,
그 화합물들을 가열하여 융해시킨 뒤 전기 분해해야 합니다.
이런 방법을 융해 전기 분해라고 합니다.
한편 전기 분해의 원리를 이용하면
금속 표면에 다른 금속을 얇게 입히는 도금을 할 수 있죠.
그림과 같이 놋숟가락에 은 도금을 하고 싶다면
놋숟가락을 (-)극에, 은 이온을 공급할 은판을 (+)극에,
은 이온이 포함된 전해질 용액을 준비하여
반드시 직류 전원을 연결해서 도금해야 합니다.
전해조 안에서 일어나는 반쪽 반응은 다음과 같습니다.
(+)극 ; Ag --> Ag+ + e- 은이 녹아 은 이온으로
(-)극 ; Ag+ + e- --> Ag 은 이온이 놋숟가락 표면에서 석출