공통 과학 - 2.2 화학 전지
1. 금속의 산화 환원 반응/2. 화학 전지/2차 전지
화학 전지는 금속의 반응성이 서로 다른 것을 이용해
화학 에너지를 전기 에너지로 바꿔 사용하는 것입니다.
그 원리에 대하여 공부합니다.
1. 금속의 산화 환원 반응
쇠(Fe)가 녹스는 것을 흔히 화학 용어로는 산화한다고 말합니다.
사실 산소와 화합하는 것이 산화인데,
산화를 나타내는 데는 산소만 가지고 표현하기는
곤란하므로 다음과 같은 몇 가지 규칙을 정하게 된 것입니다.
|
산소 |
수소 |
전자 |
산화 |
얻는다 |
잃는다 |
잃는다 |
환원 |
잃는다 |
얻는다 |
얻는다 |
Na --> Na+ + e- : 나트륨이 전자를 잃었으므로 산화
Cl + e- --> Cl- : 염소가 전자를 얻었으므로 환원
CuO + H2 --> Cu + H2O :
산화구리(II)가 구리로 산소를 잃고 환원, 수소가 산소를 얻어 산화
금속은 전자를 쉽게 잃는 경향이 있는데, 그 정도에 차이가 있어서
알칼리 금속이나 알칼리 토금속은 전자를 잃으려는 경향이 매우 강해서
쉽게 산화하여 양이온이 되고,
금, 백금이나 은 같은 금속은 잘 산화하지 않습니다.
이러한 금속의 이온화 경향을 서열화하여 나타낸 것 중
주요한 금속에 대하여 적어 보면 다음과 같습니다.
K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > [H] > Cu > Hg > Ag > Pt > Au
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 받아 수용액 속의
수소 이온이 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 것 정도는 알죠?
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
다음 그림에서 (-)극에서는 아연이 산화하여 녹아 들어갈 때
전자가 구리판 쪽으로 이동하고,
(+)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?
철(Fe)의 발견은 문명의 발전에 크게 공헌하였으나,
철 자체는 반응성이 커서 쉽게 녹슬기 때문에
여러 가지 방법으로 보호를 해 줍니다.
보통 페인트를 칠한다든가 표면에 얇게
다른 금속을 입힌다든가 하는 방법을 씁니다.
위 그림에서 주석(Sn)은 철보다 반응성이 작으므로
철을 훌륭히 보호할 수 있고(양철),
아연(Zn)은 철보다 반응성이 크지만
공기 중에서 단단하고 얇은 산화 피막(ZnO)을 만들어
더 이상 산화하지 않게 하여 안쪽의 철을 보호합니다(함석).
그런데 도금막이 벗겨졌을 때 물기가 닿으면,
물에 공기 중의 여러 가지 산성 산화물들,
가령 이산화탄소(CO2)나 아황산 가스(SO2)가 접촉하여
산(탄산, 아황산 등)을 만들게 되며, 이것이 전해질과 같은 구실을 하여
철과 도금막 사이에 부분적으로 전지가 형성됩니다.
양철의 경우 철이 (-)극, 주석이 (+)극 구실을 하므로
다음과 같은 반쪽 반응이 일어납니다.
(-)극[Fe] ; Fe --> Fe2+ + 2e- 산화
(+)극[Sn] ; 2H+ + 2e- --> H2 환원
여기서 발생한 수소가 공기 중으로 날아가면서 이 반응이 더욱 촉진되므로
쉽게 녹슬어 버립니다.
그러나 함석의 경우는 아연이 (-)극, 철이 (+)극으로 되기 때문에
얘기가 조금 달라지죠.
(-)극[Zn] ; Zn --> Zn2+ + 2e- 산화
(+)극[Fe] ; 2H+ + 2e- --> H2 환원
이렇게 되면 아연이 먼저 산화하여 철에게 전자를 공급하므로
철의 산화를 막게 되는데 이와 같은 형태로 철의 산화를 막는 방법을
음극화 보호라고 합니다.
지하에 묻혀 있는 가스관이나 기름 저장 탱크 따위도
쉽게 녹슬 수 있기 때문에 철보다 반응성이 큰 마그네슘을
도선으로 연결하여 철보다 먼저 산화하게 함으로써
철관을 보호하며, 바다에 떠 있는 배도 배밑창에
아연 덩어리를 부착하여 녹스는 것을 막아 줍니다.
이런 금속들은 주기적으로 교환해 주어야 합니다.