언어노답 독서 배경지식 칼럼 2탄-전기 화학

안녕하세요, 언어노답입니다.

결국 수능에서 도움이 되지는 않았지만, 제가 수시를 준비하며 공부했던 다양한 주제들은

사설 모의고사를 푸는 데 있어 상당한 도움을 받았습니다.

그래서 이번에는

책을 바탕으로 여러분의 배경지식을 한번 확장해보자는 의미에서

"독서 배경지식 칼럼"을 작성하게 되었습니다.

특히나 제가 세특을 쓸 때 공부했던 내용은 시간이 지나면 머릿속에서 휘발될 것 같아

이렇게나마 남겨보고 싶었습니다.

본문은

"전화기는 어떻게 세상을 바꾸는가"

의 내용을 일부 참고하였으며, 책에서 ‘주’가 되지 않는 내용이 대부분이라는 점을 밝힙니다.

사실 단순 정보 나열에 가까운 글이므로, 한번쯤 읽어 본다는 것에 의미를 두셔도 됩니다.

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1. 전기 화학

*전자를 방출하는 극은 (-)극, 전자를 받는 극은 (+)극입니다

화학 전지란?

화학에너지를 전기에너지로 전환하는 것.

각 전극에서 전극을 구성하는 물질, 용액 속의 물질이 반응에 참여할 수 있다.

(대략적인 과정)

-이온화 경향성이 큰 물질이 산화하면서 전자를 방출한다. 이 전극이 전자를 방출하므로 (-)극이 된다.

-전자가 전선을 따라 반대 (+)극으로 이동하며 환원 반응이 일어난다.

앞으로 다룰 내용 가운데 표준 환원 전위에 대한 내용은 현 교육과정에서 빠졌기에, 그 부분은 꼭 이해하지 않으셔도 된다는 점 참고하시기 바랍니다.

ex)

볼타 전지

뒤에 나열할 이온화 경향성에 따라 이온화 경향이 더 큰, 즉 산화하려는 성질이 더 큰 아연이 산화하여 이온이 되면서 전자를 방출하고, 전자가 (+)극, 즉 구리 전극으로 이동하여 환원하려는 성질이 가장 큰 수소 이온과 결합하여 수소 기체를 발생시킨다.

단순히 금속 가운데 어떤 물질이 산화할지를 판단한다면 표준 환원 전위는 꼭 몰라도 된다.

이온화 경향에 이 내용이 기본적으로 깔려 있기 때문이다.

이온화 경향 순서

금속들을 양이온이 되기 쉬운, 산화하기 쉬운 것부터 나열한 것이다.

K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Au

이 순서에 따라 위의 볼타 전지에서 아연이 산화하는 것을 설명할 수 있는 것이다.

그런데, 이 경향만으로는 수소 이온이 환원되어 수소 기체가 되는 현상을 설명할 수 없다.

이때 필요한 것이 바로 크게 표준 전지 전위라고 불리는 것이다.

전지 전위는 전위차가 있는 두 전극 사이에서 전자가 이동하며 한 일과 같다.

표준 전지 전위는 298K. 1M. 1atm. 순수 고체 전극의 조건에서 전류 없이 측정된 전위이다.

어떠한 산화 환원 반응도 반쪽 반응으로 나눌 수 있기에, 표순 수소 전극, 즉 수소 양이온이 환원되어 수소 기체가 되는 반응을 일으키는 전극을 기준으로 하며, 기준 전위를 0V로 한다. 

모든 표준 상태의 반응에서 얻는 전위를 표준 전극 전위라고 하며,

표준 전극 전위가 항상 환원의 형태로 주어지므로 표준 환원 전위라고도 하는 것이다.

따라서 산화 전극에서는 표준 환원 전위가 가장 작은 반쪽 반응이 일어나는 것으로

볼타 전지에서 수소 이온이 환원되어 수소 기체가 되는 현상을 설명할 수 있는 것이다.

그럼 이 정도에서 전위에 대한 설명은 마치도록 하고, 다시 볼타 전지로 돌아가보도록 하자.

볼타 전지를 만들고 보면 나중에 전구의 불이 점점 약해지는 현상을 관찰할 수 있다.

앞에서 구리 전극에서 수소 기체가 발생한다고 했는데, 이 기체들이 반응을 방해하여 분극 상태를 일으키는 것이다.

해결책을 단순하게 떠올리면 수소 기체를 구리 전극에서 떨어뜨리는 것으로,

1. 흐르는 용액에서 반응을 일으킨다.

2. 아산화망가니즈 등의 감극제를 통해 수소 기체를 제거한다.

의 방법들이 있으나,

또 하나의 해결책으로는 수소 기체 자체가 발생하지 않도록 하는 방법이 있다.

이를 위해서는 아연, 구리 전극을 분리해야 하고,

이렇게 다니엘 전지가 만들어지는 것이다.

아연과 구리 전극을 분리해 아연 전극은 황산 아연 수용액, 구리 전극은 황산 구리 수용액에 집어넣어 수소 기체가 발생하지 않도록 하고, 전극이 분리됨으로써 발생할 수 있는 전하 불균형의 문제는 염다리를 통해 이온을 공급하여 해결한다.

전기 분해란?

전기에너지를 화학에너지로 전환하는 것.

각 전극에서 전극을 구성하는 물질, 용액 속의 물질이 반응에 참여할 수 있다.

(대략적인 과정)

-전지의 (-)극에서 전자를 방출하여 (-)전극에서 물질의 환원이 일어난다.

-균형을 맞추기 위해 (+)전극에서 물질의 산화가 일어나며, 전지의 (+)극으로 전자가 들어간다

-물의 전기 분해

->위키피디아 참조

1번의 내용이면 고등학교 수준에서 충분할 것이라 생각하지만, 국어 지문의 소재에는 제약이 없는 만큼

더 나가보도록 하겠습니다.

2. 친환경 전지

사실 친환경 전지의 종류는 너무나도 많기에 일일이 나열할 수도 없지만,

고등학교 과정에서 유의미한 역할을 차지하는 전지는 수소 연료 전지, 태양광 전지 둘 정도라고 생각하는데,

광촉매 기술과 수소 연료 전지에 대한 설명을 하도록 하겠습니다.

광촉매 기술은 혼다-후지시마 효과에 의해 알려지게 되었습니다.

수용액 내에서 빛을 조사한 TiO2 전극에서 기포가 발생하는 것을 발견했고,

TiO2 전극에서는 산소가, 반대쪽의 Pt 전극에서는 수소가 발생됨이 알려지면서

물의 전기 분해를 위해 실질적으로 필요한 전압은 1.5V 이상이었는데, 

전압을 주지 않고도 빛만으로 물을 분해하는 기술의 연구가 시작된 것입니다.

TiO2에 빛(자외선 파장)을 가하면 전자가 들뜬 상태가 되고, 정공이 형성되는데,

환원력이 강한 전자는 산소와 반응하여 활성 산소를 생성, 물이나 이산화탄소 등을 분해하는 특성을 이용해

인위적인 전력 공급 없이도 친환경적으로 생성된 수소, 산소를 다시 활용하는 것입니다.

이를 활용하는 방법이 바로 수소 연료 전지입니다.

연료인 수소가 공기 중의 산소와 반응할 때 발생하는 에너지를 전기에너지로 전환시키는 전지가 수소 연료 전지입니다.

물에 소량의 전해질을 녹인 후 탄소 막대나 Pt 전극을 넣고 전류를 흘리면

(-)극 표면에는 수소 기체가, (+)극 표면에는 산소 기체가 모입니다.

전극이 회로로 연결되면, 수소 기체는 전자를 내놓고 수소 이온이 되어 물에 녹아들고, 산소 기체는 수소 이온과 결합하며 물 분자가 됩니다.

전체 반응은 발열 반응이고, 이때 회로를 따라 이동한 전자에 의해 전류가 발생하는 것입니다.

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직접 책을 찾아보신다면

다른 다양한 전기화학 관련 장치들에 대한 내용 등을 더 알아보실 수 있을 것입니다.

긴 글 읽느라 고생하셨습니다!!

다음 칼럼으로는 제가 정말 열심히 공부했던 양대 탐구 주제 중 하나인 CRISPR 기술을 다뤄보려고 합니다.

제 지식이 부족해 적절하지 않은 설명이 있을 수 있으니, 언제든 지적해 주세요! 감사합니다!