화학 전지와 전기 분해

산화 환원 반응은 에너지의 변화를 가져온다.자발적인 산화 환원 반응의 결과로 생기는 전자의 이동을 전선으로 연결하여 전류를 만든 것이 화학 전지이다.화학 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치로,일반적으로 서로 다른 금속 막대로 이루어진 두 전극을 전해질 용액에 담그고 두 전극을 전선으로 연결한 형태로 이루어진다.반응에서 산화하면서 전자를 내놓는 쪽이 전지의 산화 전극이고,환원되면서 전자를 받는 쪽이 환원 전극이다.전기 회로에서 전자는 -극에서+극으로 이동하므로 산화 전극-이되고,환원 전극이+극이다.전기 분해는 전지를 이용해서 인위적으로 전류를 흐르게 하여 강제적인 산화 환원 반응을 일으키는 것이다.전극이 담긴 전해질 수용액에 직류 전류를 흘려보내면 이온들이 자신과 반대 전극으로 이동한다.+극에 도착한 음이온은 전자를 잃고 산화되고,-극에 도착한 양이온은 전자를 얻고 환원된다.일반적으로 전기 분해는 수용액의 분해가 목적이기때문에 극판 자체의 반응을 방지하려고 반응성이 작은 백금이나 탄소를 전극에 사용한다.

(1)화학전지-볼타 전지:볼타 전지는 이탈리아의 물리학자인 볼타가 개발한 것으로 현대 전지의 출발이 되었다.볼타 전지는 아연판과 구리판을 묽은 황산 수용액에 넣고 전선으로 연결하여 만든다.이때 이온화경향성에 차이가 있는 아연과 묽은 황산의 수소 이온이 반응하여 전류가흐른다.아연은 전자를 잃고 아연 이온으로 녹아 나오고,그 전자는 전선을 따라 구리판으로 이동한다.구리판에 도착한 전자를 용액 내의 수소 이온이 받아서 수소 기체로 환원된다.하지만 볼타 전지는 전압이 1.1V에서 일정 시간이 지나면 0.4V 정도로 급격하게 감소한다.이러한 현상을 분극 현상이라고 하는데,그 이유는+극에서 발생한 수소 기체가 날아가지 않고 구리판에 달라붙어 다른 수소 이온과 구리판의 접촉을 막아 환원을 방해하기 때문이다.또 구리판에 붙은 수소 기체가 전자를 내놓고 이온이 되려는 역반응을 진행하여 전압을 낮추기도 한다.분극 현상을 방지하려면+극에서 생성된 수소 기체를 빠르게 제거해야 한다.이를 위해 넣어주는 산화제를 감극제또는 소극제라고 하며 수소 기체를 물로 산화시킨다.2.다니엘 전지:볼타 전지가 가진 분극 현상을 보완하고 한 단계 발전시킨 것이 다니엘 전지이다.볼타 전지는 산화 전극과 환원 전극이 하나의 전해질 용액에 담겨 있지만,다니엘 전지는 두 극을 분리시키고 전해질 용액 사이를 염다리로 연결하였다.우선 아연판은 황산아연 수용액에 넣고,구리판은 황산구리 수용액에 각각 넣어 반쪽 전지를 만든다.두 금속판을 전선으로 연결하고,두 수용액을 염다리로 연결하면 1.1V의 전압을 나타내는 전지가 완성된다.이때 아연판은 구리판ㅂ노다 이온화 경향성이 크기 때문에 산화하여 아연 이온이 되면서 전자를 내놓는다.전자는 전선을 통해 구리판으로 이동하고,황산구리 수용액의 구리 이온이 전자를 받아서 구리판에 석출된다.따라서 아연판이 -극,구리판이+극으로 작용한다.반응ㅇ이 진행될수록-극에는 아연 이온이 증가하여 양전하가 과밀하게 되고,반대로+극에는 구리 이온이 계속 줄어들어 음전하가 과밀하게 된다.이로 인해 아연은 계속 산화하기 어려워지고,구리 이온은 환원하기 어려워진다.이때 이온의 이동 통로인 염다리로 이러한 이온의 불균형을 해소해 준다.염다리는 전극 반응에 영향을 주지 않는 이온을 반쪽 전지에 제공하여 두 전지의 전하가 중성이 되도록 한다.산화 전극에서는 아연 이온이 염다리로 들어가면서 염다리에 들어있는 음이온이 나오게 되며,환원 전극에서는 황산 이온이 염다리로 들어가면서 염다리에 들어있는 양이온이 나오게 된다.따라서 염다리는 전지의 전압이 지속적으로 발생되게 하는 역할을 한다.이러한 과정을 통해 하나의 회로가 완성된다.

3)전극 전위:화학 전지에서 전극을 구성하는 두 반쪽 전지의 전위 차이를 기전력이라고 한다.기전력이 클수록 전압이 크고,일을 많이 할 수 있는 전지이다.기전력의 크기는 두 전극 사이의 전위 차이에 의해서 나타나는데,반쪽 전지만으로는 전류가 흐르지 않기 떄문에 각 전극에서 일어나는 반쪽 반응이 얼마만큼의 전위를 갖는지를 절대적으로 측정할 수 있는 방법은 없다.그래서 전극 전위측정에서 기준이 되는 전극을 정해놓고 나머지 반쪽 전지의 상대적인 전위를 측정하는데,이것을 전극 전위라고 한다.일반적으로 기준 전극은 표준 수소전극이다.표준 수소 전극:1M의 H에 1기압의 H를 주입하여 접촉시킨 백금 전극으로,이렇게 구성된 반쪽 전지의 전극 전위를 모든 온도에서 0V로 정하여 다른 전극 전위의 기준으로 놓는다.표준 환원 전위:25도씨 1기압에서 반쪽 전지 수용액의 농도가 1M일 때 표준 수소전극을 반쪽 전지로 연결해 놓고 측정한 전위를 표준 전극 전위라고 한다.ㅇ;떄 표준수소 전극을 -극으로 하고,측정하고자 하는 반쪽 전지는 환원 반응이 일어나는 +극으로 두고 측정한 전위를 표준 환원 전위라고 한다.반대로 표준 수소 전극ㄱ을 +극으로 하고,측정하고자 하는 반쪽 전지를 산화 반응ㅇ이 일어나는-극으로 두고 측정한 전위를 표준 산화 전위라고 한다.따라서 표준 환원 전위와 표준 산화 전위는 크기는 같고 부호가 다른 관계를 가진다.일반적으로 표준 환원 전위 값을 많이 활용하는데,표준 환원 전위가 양의 값을 가진다는 것은 수소보다 환원되기 쉽다는 것을 의미하고,표준 환원전위가 음의 값을 가진다는 것은 수소보다 환원되기 어렵다는 것과 수소보다 산화되기 쉽다는 것을 의미한다.