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화학 전지와 전기 분해
학습 목표
․ 화학 전지의 원리를 산화․환원 반응으로 이해한다.
․ 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위로 전지의 기전력을 이해한다.
․ 여러 가지 실용 전지의 원리를 안다.
․ 전기 분해를 알고 전기 분해에서의 양적 관계를 이해한다.
1. 화학 전지
- 산화․환원 반응을 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치이다.
① 화학 전지의 원리
- 이온화 경향이 다른 두 금속을 전해질 용액에 담그고 도선으로 연결하면 이온화 경향이 큰 금속 은 산화되어 전자를 내놓고, 이 전자가 도선을 따라 다른 전극으로 이동하여 환원 반응이 일어나 면서 전류가 흐르게 된다.
② 전극 : (-)극은 반응성이 큰 금속, (+)극은 반응성이 작은 금속
③ 전극 반응 : 전지의 (-)극은 산화반응, (+)극에서는 환원반응이 일어난다.
④ 전류의 세기 : 전지를 이루는 두 금속의 반응성의 차가 클수록 전류가 세게 흐른다.
⑤ 전자의 이동 : 전자는 (-)극에서 (+)극 쪽으로 도선을 따라 이동하는데, 전류의 방향과 반대이다.
⑥ 전지의 표현 : 전해질 용액을 사이에 두고 (-)극을 왼쪽에, (+)극을 오른쪽에 쓴다.
액체와 고체처럼 서로 다른 상이 접촉하고 있으면 외선(|)으로 구분하고, 용기가 바뀌는 경우
(염다리)는 겹선(‖)으로 구분한다.
(-)극 | 전해질 용액 | (+)극
2. 볼타 전지( (-)Zn|H2SO4(aq)|Cu(+))
- 1796년에 볼타가 만든 화학전지로 아연판과 구리판을 묽은 황산에 담그고 도선으로 두 금속판을
연결한 전지이다.
H+
Zn2+
H+
H+
H+
H+
H+
e-
H2
e-
e-
e-
e-
(-)극
(+)극
전류
묽은 황산
구리판
(+)극
아연판
(-)극
묽은 황산
판지
전류계
▲ 볼타 전지의 구조
① 전극 반응 : 반응성이 큰 아연이 산화되면서 전자를 내놓으면(금속판에 남겨 놓음) 아연판이 (-)
극이 되고, 전자는 도선을 따라 구리판으로 이동하며 구리판이 (+)극이 된다. 이 때 용액 중의
H+이 구리판으로 끌려가서 전자를 얻어 H2 기체가 발생한다.
(-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (산화반응)
(+)극 : 2H+(aq) + 2e- → H2(g) (환원반응)
전체반응 : Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)
② 전극 변화 : 아연판은 전자를 잃고 Zn2+으로 되어 용액 속으로 녹아 들어가므로 질량이 감소하
나, 구리판에서는 수소 기체가 발생하므로 질량 변화가 없다.
③ 분극 현상 : Cu판 표면에서 발생한 수소 기체가 Cu 판에 붙어 전자의 흐름을 방해하기 때문에
전압이 갑자기 낮아지는 현상이다.
④ 감극 : 분극 현상은 구리 판에 생긴 H2 기체를 산화시켜 물로 만들면 없어지는데, 이것을 감극
이라고 한다.
⑤ 감극제(소극제) : 분극 현상을 없애기 위해 사용하는 강한 산화제이다.
예) KMnO4, K2Cr2O7, MnO2, H2O2 등
3. 다니엘 전지((-)Zn(s)|ZnSO4(aq)‖CuSO4(aq)|Cu(s)(+))
- 아연판과 구리판을 각각 황산아연 수용액과 황산구리(Ⅱ) 수용액에 담그고 도선으로 연결한 다음,
두 수용액을 염다리로 연결하여 만든 전지이다.
e-
(-)극
(+)극
아연
염다리
e-
구리
Zn2+
SO42-
SO42-
Cu2+
2e-
Zn
Zn2+
Zn2+
2e-
Cu
Cu2+
Cu2+
▲ 다니엘 전지
① 전극 반응 : 각 전극에서 일어나는 반응은 다음과 같다.
(-)극[Zn판] : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (산화반응)
(+)극[Cu판] : Cu2+(aq) +2e- → Cu(s) (환원반응)
전체반응 : Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
② 전극 변화 : 아연판은 전자를 잃고 Zn2+으로 녹아 들어가므로 질량이 감소하고, 용액 속의 Cu2+
이 구리판에서 환원되어 구리로 석출되므로 질량이 증가한다.
③ 기체가 발생하지 않으므로 분극현상이 일어나지 않는다.
☞ 염다리(반쪽 전지를 분리하는 다공성 막) : 두 전해질이 섞이지 않게 하고 양쪽 반쪽 전지의 전하가 중성이 되도록 해 주는
것으로 , 다니엘 전지는 염다리가 없으면 반응이 일어나지 않아 전류가 흐르지 않는다. (한천 용액에 KCl 이나 Na2SO4 등을
녹여 굳힌다)
4. 표준 전극 전위
․ 기전력 : 전지가 나타내는 전압의 최대값을 그 전지의 기전력이라고 한다.
․ 표준 기전력 : 전지의 기전력은 전지 반응에 관여하는 물질의 농도와 기체의 압력에 따라 달라지
는데, 용액의 농도가 1M이고 기체의 압력이 1기압일 때의 기전력을 말한다.
→ 전지의 기전력은 2개의 반쪽 전지를 도선으로 연결했을 때 일어나는 전자의 이동으로 생기므로
반쪽 전지만으로 측정할 수 없다.
1) 표준 수소 전극
① 25℃에서 H+의 농도가 1M 인 용액에 백금 전극을 꽂고, 이 백금 전극 주변에 1기압의 H2 기체
를 공급했을 때, 반쪽 전지가 나타내는 전위차를 0V 로 정하는데, 이것을 표준 수소 전극이라고
하며, 모든 표준 전극 전위의 기준이 된다.
염다리
다른 반쪽
전지에 연결
백금전극
H2(g)
1기압
백금에
백금박을
입힌 것
1M H+ 수용액
E° = 0.00V
표준 수소 전극
2H+(aq, 1M, 25℃) + 2e- → H2(g, 1기압)
E ° = 0.00V
2) 표준 전극 전위(E°)
- 25℃에서 이온의 농도가 1M(기체인 경우 1기압)인 어떤 반쪽 전지를 표준 수소 전극과 연결하여
만든 전지의 기전력이다.
☞ 표준 수소 전극과 연결한 전지의 표준 기전력을 측정하면 모르는 표준 반쪽 전지의 전위를 알 수 있다.
① 표준 환원 전위 : 표준 수소 전극과 연결하여 측정한 반쪽 전지의 전위를 환원 반응의 형태로
나타냈을 때의 전위이다.
② 표준 환원 전위 값이 (+)이면 수소보다 환원되기 쉽고, (-)이면 수소보다 환원되기 어렵다.
③ 표준 환원 전위 값이 큰 물질은 환원되기 쉬우므로 전지의 (+)극을 이룬다.
전 극 반 응
E°(V)
F2(g) + 2e- → 2F-(aq)
+2.87
O2(g) + 4H+(aq) + 4e- → 2H2O
+1.23
Ag+(aq) + e- → Ag(s)
+0.80
Fe3+(aq) + e- → Fe2+(aq)
+0.77
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
+0.34
2H+(aq) + 2e- → H2(g)
0.00
Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s)
-0.76
2H2O(l) + 2e- → 2OH-(aq) + H2(g)
-0.83
Al3+(aq) + 3e- → Al(s)
-1.76
전 극 반 응
E°(V)
Mg2+(aq) + 2e- → Mg(s)
-2.83
Li+(aq) + e- → Li(s)
-3.05
▲ 표준 환원 전위
예)
0.34V
Cu 판
환원
염다리
(+)극
(-)극
산화
Cu2+
SO42-
H+
1M CuSO4
1M H+
Pt
Cu 반쪽 전지의 전위 측정
e-
e-
H2
▲ 반쪽 전지의 전위 측정
․ 표준 수소 전극에 Cu2+|Cu 반쪽
전지를 연결하면, 구리 전극에서
환원 반응이 일어나므로 구리 전극
이 (+)극으로 작용
․ Cu2+의 농도가 1M 일때 전지의
기전력은 0.34V 이다.
․ 기전력 = 두 반쪽 전지의 전위차
․ E°전지 (표준 기전력) = E°(+)극-E°(-)극
0.34V = E°(구리반쪽전지)-0.00V
이 값은 환원 반응이 일어날 때의
값이므로 표준환원전위라고 한다.
․ Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
E° = +0.34V
3) 표준 환원 전위의 이용
① 전지의 표준 기전력 계산 : 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위의 차와 같다.
표준 기전력(E°) = (+)극의 표준 환원 전위 - (-)극의 표준 환원 전위
= 큰 값의 표준 환원 전위 - 작은 값의 표준 환원 전위
E° = E°(+)극 - E°(-)극
예) 다니엘 전지(Zn(s)|Zn2+(aq)‖Cu2+(aq)|Cu(s))의 표준 기전력
․ 반쪽 전지의 표준 환원 전위
Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s) E° = -0.76V
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) E° = +0.34
․ Cu 의 환원 전위 값이 크므로 Cu가 (+)극, Zn이 (-)극으로 작용한다.
(-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- E° = +0.76V
(+)극 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) E° = +0.34
전체 반응 :Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s), E° = +1.10V
ex) 표를 이용하여 다음 전지의 표준 기전력을 구하여라
(1) Li|Li+‖Ag+|Ag 답) +3.85V
(2) Al|Al3+‖Cu2+|Cu 답) +2.10V
② 이온화 경향의 비교 : 표준 환원 전위가 작을수록 양이온이 되기 쉬운 것(산화되기 쉽다)이므로
표준 환원 전위로부터 이온화 경향을 비교할 수 있다. 즉, 이온화 경향이 큰 금속은 표준 환원
전위가 작고, 이온화 경향이 작은 금속은 표준 환원 전위가 크다.
③ 반응의 방향 예측 : 전지의 기전력이 (+)이면 전지 반응이 자발적으로 일어나며, (-)이면 정반응
은 일어나지 않고 역반응이 자발적으로 일어난다.
5. 실용 전지
1) 건전지(아연-탄소 건전지) : Zn(s)｜NH4Cl｜MnO2, C
(+)극 단자
공기
다공성 종이
아연통
MnO2, ZnCl2
금속판
절연체
탄소 막대
(-)극 단자
▲ 건전지의 구조
① 구성 : (-)극은 아연통, (+)극은 탄소 막대이며, 아연통 내부에 감극제인 MnO2, 전해질인 NH4Cl
수용액, 흑연가루(탄소가루)등이 반죽의 형태로 들어있다.
② 전극 반응
(-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (산화)
(+)극 : 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) + 2e- → Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(l) (환원)
전체반응 : Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) →
Zn2+(aq) + 2NH3(aq) + H2O(l) + Mn2O3(s)
③ 특징
㉠ 건전지는 가격이 저렴하고 비교적 안전하며, 다양한 크기로 만들 수 있다.
㉡ 전류가 흐르지 않을 때에도 아연 전극과 NH4+이 반응할 수 있기 때문에 시간이 지남에 따라
반응 물질의 농도가 변하므로 전압이 떨어지는 단점이 있다.
→ 탄소 막대 주위에 NH3가 모여 절연막을 형성하여 전압이 떨어진다.
㉢ 아연 전극의 질량은 감소하고, 탄소 전극의 질량은 변함없다.
☞ 알칼리 전지 : 건전지는 사용하지 않을 때에도 Zn과 NH4+이 반응하여 방전될 수 있기 때문에 수명이 짧다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 전해질로 KOH를 사용한다. 전해질로 알칼리를 사용하므로 아연이 부식되지 않
아 수명이 길고, 안정한 전압과 전류를 얻을 수 있다.
2) 납축 전지
(+)극 단자
(-)극 단자
Pb판
(-)극
PbO2판
(+)극
H2SO4 수용액
▲ 납축전지의 구조
① 구성 : 밀도가 1.25g/mL 정도의 황산에 Pb 판과 PbO2판을 넣어 만든 2차 전지이다.
☞ 1차 전지 : 방전되면 다시 충전할 수 없는 전지 예) 건전지, 수은 전지 등
2차 전지 : 방전되면 충전하여 다시 사용할 수 있는 전지 예) 납축전지, 리튬 이온 전지, 니켈-카드뮴전지 등
☞ 방전 : 자발적인 산화․환원 반응을 통해 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되는 과정
충전 : 방전될 때의 역반응이 일어나면서 기전력이 다시 커지게 되는 과정
② 전극 반응
(-)극 : Pb(s) + SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2e- (산화)
(+)극 : PbO2(s) + 4H+ + SO42-(aq) + 2e- → PbSO4(s) + 2H2O(l) (환원)
전체반응 : Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O(l)
충전
방전
③ 특징
㉠ 방전이 일어나면 (+)극과 (-)극에서 모두 불용성 물질인 PbSO4(s)이 생성되어 전극에 달라
붙으므로 전극의 질량이 증가한다.
㉡ 전해액인 황산은 소모되어 농도가 묽어지면서 기전력이 떨어진다.
㉢ 비교적 큰 전류를 낼 수 있고, 수명이 길며, 낮은 온도에서도 효과적으로 작동한다.
㉣ 충전과정에서 물의 일부가 전기 분해되므로 이를 보충해야 한다.
㉤ 물의 전기분해로 발생한 산소와 수소가 작은 불꽃에 의해서도 폭발할 수 있다.
㉥ 근래에는 물의 전기 분해가 일어나지 않도록 납 합금을 전극으로 사용하는 전지가 개발되어
이러한 단점을 보완하였다.
3) 연료 전지( 수소-산소 연료 전지)
① 연료 전지 : 연료가 가진 화학 에너지를 화학 반응에 의해 직접 전기 에너지로 바꾸는 전환장치
이다.
② 구성
- (-)극에는 H2, (+)극에는 O2를 공급한다.
- 촉매가 채워진 다공성 탄소판을 통해 수소 기체와 산소 기체를 공급하고, 전해질은
KOH 수용액이다.
H2
O2
H2O
H2O
H2
O2
(-)
(+)
KOH
수용액
니켈을 함유한
다공성 탄소 전극
▲ 연료 전지의 구조
③ 전극 반응
(-)극 : 2H2(g) + 4OH-(aq) → 4H2O(l) + 4e- (산화)
(+)극 : O2(g) + 2H2O(l) + 4e- → 4OH-(aq) (환원)
전체반응 : 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)
④ 특징
㉠ 에너지 효율이 매우 높으며, 물만 생성하므로 공해를 거의 일으키지 않는다.
㉡ 장치가 너무 크고, 전지를 작동하는 데 200~300℃의 고온이 요구되며 비용이 많이 든다.
㉢ 1960년 대 우주선의 동력원으로 이용되었고, 최근에는 자동차, 보트, 노트북 컴퓨터 분양에
이용될 수 있도록 연구가 진행되고 있다. 선진국에서는 연료 전지의 원리를 이용한 발전소가
시범 운영되고 있다.
☞ 메모리 효과
- 니켈로 만든 전지에서는 NiOH에 OH-가 떨어졌다 붙었다 하면서 충전과 방전이 일어난다. 그런데 조금만
사용하고 다시 충전하는 일을 반복하면 NiOH는 고용체를 형성하게 되는데, 이 고용체는 한번 형성되면 되돌아가
지 못하게 되어 남아 있는 용량을 사용하지 못하게 된다. 이와 같이 전지가 마치 사용할 수 있는 용량의 한계를
기억하는 것과 같은 현상을 메모리 효과라 한다.
6. 전기 분해
1) 전기 분해 : 산화․환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어 물질을 분해하는 반
응이다.
(-)극 : 양이온 + e- → 홑원소 물질 (환원 반응)
(+)극 : 음이온 → 홑원소 물질 + e- (산화반응)
2) 전기 분해의 원리 : 전해질 수용액이나 용융액에 직류 전류를 가하면 양이온은 (-)극으로, 음이온
은 (+)극으로 이동해서 전하를 얻거나 잃고 중성의 물질로 된다.
․ 양이온이 두 종류 이상일 때 : 환원되기 쉬운 양이온이 환원되어 석출된다.
․ 음이온이 두 종류 이상일 때 : 산화되기 쉬운 음이온이 산화되어 석출된다.
3) 수용액의 전기 분해
- 전해질 수용액에는 전해질의 양이온과 음이온, 물 분자가 존재한다.
① (+)극 : 음이온이 끌려와 전자를 잃고 산화된다.
․ F-, CO32-, NO3-, PO43-, SO42-, HCO3- 등의 음이온은 산화되기 어려우므로 H2O이 대신 산화
되어 O2가 발생한다.
H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e- : 수용액의 pH가 감소한다.(산성화)
② (-)극 : 양이온이 끌려와 전자를 얻어 환원된다.
․ Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Al3+, NH4+ 등의 양이온은 환원되기 어려우므로 H2O이 대신
환원되어 H2가 발생한다.
2H2O + 2e- → H2 + 2OH- : 수용액의 pH가 증가한다.(염기성화)
4) 여러 가지 물질의 전기 분해
① 황산구리(Ⅱ)(CuSO4) 수용액의 전기 분해
- 수용액 속에는 Cu2+, SO42-, H2O이 있는데, Cu2+는 물보다 환원되기 쉽고, SO42-는 물보다 산
화되기 어렵다. 따라서 (-)극에서는 Cu2+이 환원되어 구리가 석출되고, (+)극에서는 물이 산
화되어 O2가 발생한다.
(+)극 : 2H2O(l) → 4H+(aq) + O2 + 4e- (산화)
(-)극 : 2Cu2+(aq) + 4e- → 2Cu(s) (환원)
전체반응 : 2Cu2+(aq) + 2H2O(l) → 4H+(aq) + O2(g) + 2Cu(s)
② 염화나트륨(NaCl) 수용액의 전기 분해
- 수용액 속에는 Na+, Cl-, H2O이 있는데, Cl-는 물보다 산화되기 쉬우므로 (+)극에서는 Cl-이
산화되어 Cl2 가 발생하고, (-)극에서는 Na+이 물보다 환원되기 어려우므로 물이 환원되어 H2
가 발생한다.
(+)극 : 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e- (산화)
(-)극 : 2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq) (환원)
전체반응 : 2Cl-(aq) + 2H2O(l) → Cl2(g) + H2(g) + 2OH-(aq)
③ 물의 전기 분해 : 순수한 물은 거의 이온화가 되지 않아 전류가 흐르지 않으므로 물의 전기 분
해에 영향을 주지 않는 NaOH, KNO3, H2SO4 등을 소량 넣어 전기 분해한다.
(+)극 : 2H2O(l) → O2 + 4H+(aq) + 4e- (산화)
(-)극 : 4H2O(l) + 4e- → 2H2(g) + 4OH-(aq) (환원)
전체반응 : 2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)
④ 기타 전기 분해
- 수용액에서 전기 분해하여 환원 또는 산화시킬 수 없는 물질은 다른 용매에 녹여서 전기 분해
하거나 또는 용융액을 전기 분해하여 원하는 물질을 얻을 수가 있다.
예) 염화나트륨(NaCl)의 용융 전기 분해
- NaCl을 액체로 만든 용융액에는 Na+과 Cl-이 존재한다.
(+)극 : 2Cl- → Cl2 + 2e- (산화)
(-)극 : 2Na+ + 2e- → 2Na (환원)
전체반응 : 2NaCl → 2Na + Cl2
☞ 이 방법으로 염화나트륨 수용액의 전기 분해에서는 얻을 수 없는 금속 나트륨을 얻는다.
ex) 진한 CuCl2 수용액을 구리 전극을 이용하여 전기 분해할 때 (-)극과 (+)극에서 일어나는 반응
을 화학 반응식으로 나타내어라.
답) (+)극 : 2Cl-(aq) → Cl2(g)+ 2e- (산화)
(-)극 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (환원)
7. 전기 분해에서의 양적 관계
1) 패러데이의 법칙 : 1833년 패러데이에 의해 실험적으로 밝혀진 법칙이다.
① 전기 분해가 일어날 때 생성된 물질의 질량과 통해 준 전하량 사이에는 다음과 같은 관계가 성
립한다.
․ 전기 분해에 의해 생성 또는 소모되는 물질의 양은 통해준 전하량에 비례한다.
․ 일정한 양의 전하를 통해 주었을 때 얻어지는 물질의 양은 각 물질의
에 비례한다.
② 1F (패럿) : 전자 1몰의 전하량으로 1패러데이라고 한다.
㉠ 1F = 전자 1개의 전하량 × 아보가드로수
= (1.6×10-19C)×(6.02×1023) ≒ 96500C
㉡ 실험에서 전하량 대신 전류을 측정하는 경우가 많다. 전류는 단위 시간당 흐른 전하량이므로,
전하량은 전류의 세기에 전류를 통한 시간을 곱한 값이다.
전하량 = 전류의 세기 × 시간
즉, 1C(쿨롬) = 1A(암페어) × 1s(초)
<참고> 당량 : 전자 1몰을 받거나 내어 놓을 수 있는 물질의 양을 그 물질의 1g 당량 이라고 하고, 1g 당량에서 g을 떼어낸 양
을 당량이라고 한다.
→ 1g 당량 : 1F의 전기량을 통할 때 석출 또는 발생하는 물질의 양
예) 2Cl → Cl2 + 2e-
71g : 2F → 35.5g : 1F( 1g 당량 )
예) Cu2+ + 2e- → Cu
2몰 : 64g → 1몰 : 32g ( 1g 당량 )
ex)1. 질산은(AgNO3) 수용액에 0.10A 의 전류를 30분 동안 통과시켰을 때 석출되는 은의 질량은
몇 g인가? 단, 은의 원자량은 107.9이다.
답) Ag+ + e- → Ag, 질산은 수용액에 통해준 전하량은 0.10×30×60 = 180C, 1F(96500C)
일 때 1몰(107.9g)의 은이 얻어진다. 따라서, 96500 : 107.9 = 180 : x
∴ x = 0.20g
ex)2. 묽은 염산에 0.1F의 전류를 흘려 전기 분해할 때 (-)극에서 생성되는 물질은 무엇이며, 그
양은 몇 몰인가?
답) 묽은 염산에는 Cl-, H+, H2O가 있다. (-)극으로 H+가 이동하여 H2 발생한다.
2H+ + 2e- → H2
따라서 2F 일 때 1몰의 수소 기체 발생하므로 0.1F 의 전류를 흘려주면 0.05몰의 수소가
발생한다.
ex)3. 황산구리(Ⅱ) (CuSO4) 수용액을 10A의 전류로 16분5초 동안 전기 분해하였다. 통해 준 전기
량은 몇 F(패럿)이며, (-)극에서 석출되는 구리의 질량은 몇 g인가?(단, Cu의 원자량은 64이다.)
답) 전하량(C) = 10 × (16×60 + 5 ) = 9650C = 0.1F
Cu2+ + 2e- → Cu에서 Cu는 2F 일 때 64g의 구리가 생성되므로 0.1F 에서는
64 × 0.05 = 3.2g이 생성된다.
8. 전기 분해의 이용
1) 전기 도금
- 전기 분해를 이용하여 물체의 표면에 은이나 금 및 녹슬지 않는 크롬 등을 입히는 것을 말한다.
- 전기 도금의 목적은 부식 방지와 장식이다.
- 전기 도금 : 도금할 물체를 (-)극에, 도금 시킬 금속을 (+)극에 연결하고, 도금할 금속 이온이 들
어 있는 용액을 전해질로 사용하여 전기 분해하면 물체 표면에 금속이 석출되면서 도금된다.
Ag+
Ag+
Ag+
Ag+
Ag+
Ag+
(+)
(-)
e-
e-
KAg(CN)2 용액
▲ 은 도금
예) 숟가락에 은 도금을 할 경우 :
KAg(CN)2 수용액을 도금액 하고 (-)극에는
숟가락을, (+)극에는 은판을 연결한다.
․ (+)극 : Ag(s) → Ag+(aq) + e- (산화)
․ (-)극 : Ag+(aq) + e- → Ag(s) (환원)
→ 은이 숟가락 표면에 도금된다.
2) 구리의 제련(정제)
Pt
Ag
Fe
Au
Zn
Ag
Ag
Pt
Au
Fe2+
SO42-
SO42-
SO42-
SO42-
Zn2+
Zn2+
Cu2+
Cu2+
직류전원
(+)
불순물을
포함한 구리
(-)
순수한
구리
▲ 구리의 정제
CuSO4 수용액
양극 찌꺼기
- 구리의 순도를 높이기 위해 불순물이 포함된 구리를 (+)극에 연결하고, 순수한 구리를 (-)극에 연
결한 후, CuSO4 수용액에서 전기 분해하면 순수한 구리를 얻을 수 있다.
․ (+)극 : Cu → Cu2+ + 2e- (산화)
․ (-)극 : Cu2+ + 2e- → Cu (환원)
- 불순물 중에서 구리보다 반응성이 큰 금속들은 구리와 함께 산화되어 금속 양이온으로 용액에 녹
아 들어가고, 구리보다 반응성이 작은 금, 은, 백금 등은 녹지 않고 용기 바닥으로 떨어진다.
3) 알루미늄의 제련
탄소
(+)극
산화알루미늄
+
빙정석
탄소
(-)극
용융된
알루미늄
▲ 산화알루미늄의 전기 분해 장치
- 보크사이트로부터 얻은 순수한 산화알루미늄을 용융시켜 전기 분해하여 얻는다.
보크사이트
(Al2O3․nH2O)
산화알루미늄
(Al2O3)
알루미늄
(Al)
+빙정석(Na3AlF6
용융 전기 분해
- 알루미늄은 지각에 많이 존재한다. 그러나 알루미늄은 산화물 형태로 산출되므로 산화알루미늄을
전기분해하여 얻는다. 알루미늄은 산소와의 결합력이 매우 강해 보통의 환원제로는 환원되지 않
으므로 용융시켜 전기 분해하여 얻는다.
(+)극 : 3O2-(aq) + 3C(s) → 3CO(g) + 6e- (산화)
(-)극 : 2Al3+(l) + 6e- → 2Al(s) (환원)
전체반응 : 2Al3+(l) + 3O2-(aq) + 3C(s) → 2Al(s) + 3CO(g)
ex)1. 묽은 황산에 아연판과 구리판을 담그고 도선으로 연결한 볼타 전지에서 (-)극과 (+)극에서는
각각 어떤 변화가 일어나는가?
답) (-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (산화반응)
(+)극 : 2H+(aq) + 2e- → H2(g) (환원반응)
ex)2. NaCl 수용액을 전기 분해할 때 두 극에서 일어나는 반응을 설명해 보자
답) (+)극 : 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e- (산화)
(-)극 : 2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq) (환원)
ex)3. 2차 전지의 방전과 충전 과정에서 나타나는 에너지 전환에 대해서 말해보자
답) 방전 : 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되는 과정, 전지를 사용하여 전지가 소모되는 과정
이다.
충전 : 전기 에너지가 화학 에너지로 전환되는 과정, 외부에서 전원을 공급하여 전지가 재생
되는 과정이다.
ex)4. CuSO4 수용액을 전기 분해할 때 구리 1몰을 얻기 위해서는 얼마만한 전하량이 필요한가?
답) 구리 이온을 환원시켜 구리 1몰을 얻기 위해서는 전자 2몰에 해당하는 전하량
이 필요하다. 따라서 96500×2 = 193000C 이다.
화학 전지와 전기 분해
학습 목표
․ 화학 전지의 원리를 산화․환원 반응으로 이해한다.
․ 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위로 전지의 기전력을 이해한다.
․ 여러 가지 실용 전지의 원리를 안다.
․ 전기 분해를 알고 전기 분해에서의 양적 관계를 이해한다.
1. 화학 전지
- 산화․환원 반응을 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치이다.
① 화학 전지의 원리
- 이온화 경향이 다른 두 금속을 전해질 용액에 담그고 도선으로 연결하면 이온화 경향이 큰 금속 은 산화되어 전자를 내놓고, 이 전자가 도선을 따라 다른 전극으로 이동하여 환원 반응이 일어나 면서 전류가 흐르게 된다.
② 전극 : (-)극은 반응성이 큰 금속, (+)극은 반응성이 작은 금속
③ 전극 반응 : 전지의 (-)극은 산화반응, (+)극에서는 환원반응이 일어난다.
④ 전류의 세기 : 전지를 이루는 두 금속의 반응성의 차가 클수록 전류가 세게 흐른다.
⑤ 전자의 이동 : 전자는 (-)극에서 (+)극 쪽으로 도선을 따라 이동하는데, 전류의 방향과 반대이다.
⑥ 전지의 표현 : 전해질 용액을 사이에 두고 (-)극을 왼쪽에, (+)극을 오른쪽에 쓴다.
액체와 고체처럼 서로 다른 상이 접촉하고 있으면 외선(|)으로 구분하고, 용기가 바뀌는 경우
(염다리)는 겹선(‖)으로 구분한다.
(-)극 | 전해질 용액 | (+)극
2. 볼타 전지( (-)Zn|H2SO4(aq)|Cu(+))
- 1796년에 볼타가 만든 화학전지로 아연판과 구리판을 묽은 황산에 담그고 도선으로 두 금속판을
연결한 전지이다.
H+
Zn2+
H+
H+
H+
H+
H+
e-
H2
e-
e-
e-
e-
(-)극
(+)극
전류
묽은 황산
구리판
(+)극
아연판
(-)극
묽은 황산
판지
전류계
▲ 볼타 전지의 구조
① 전극 반응 : 반응성이 큰 아연이 산화되면서 전자를 내놓으면(금속판에 남겨 놓음) 아연판이 (-)
극이 되고, 전자는 도선을 따라 구리판으로 이동하며 구리판이 (+)극이 된다. 이 때 용액 중의
H+이 구리판으로 끌려가서 전자를 얻어 H2 기체가 발생한다.
(-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (산화반응)
(+)극 : 2H+(aq) + 2e- → H2(g) (환원반응)
전체반응 : Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)
② 전극 변화 : 아연판은 전자를 잃고 Zn2+으로 되어 용액 속으로 녹아 들어가므로 질량이 감소하
나, 구리판에서는 수소 기체가 발생하므로 질량 변화가 없다.
③ 분극 현상 : Cu판 표면에서 발생한 수소 기체가 Cu 판에 붙어 전자의 흐름을 방해하기 때문에
전압이 갑자기 낮아지는 현상이다.
④ 감극 : 분극 현상은 구리 판에 생긴 H2 기체를 산화시켜 물로 만들면 없어지는데, 이것을 감극
이라고 한다.
⑤ 감극제(소극제) : 분극 현상을 없애기 위해 사용하는 강한 산화제이다.
예) KMnO4, K2Cr2O7, MnO2, H2O2 등
3. 다니엘 전지((-)Zn(s)|ZnSO4(aq)‖CuSO4(aq)|Cu(s)(+))
- 아연판과 구리판을 각각 황산아연 수용액과 황산구리(Ⅱ) 수용액에 담그고 도선으로 연결한 다음,
두 수용액을 염다리로 연결하여 만든 전지이다.
e-
(-)극
(+)극
아연
염다리
e-
구리
Zn2+
SO42-
SO42-
Cu2+
2e-
Zn
Zn2+
Zn2+
2e-
Cu
Cu2+
Cu2+
▲ 다니엘 전지
① 전극 반응 : 각 전극에서 일어나는 반응은 다음과 같다.
(-)극[Zn판] : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (산화반응)
(+)극[Cu판] : Cu2+(aq) +2e- → Cu(s) (환원반응)
전체반응 : Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
② 전극 변화 : 아연판은 전자를 잃고 Zn2+으로 녹아 들어가므로 질량이 감소하고, 용액 속의 Cu2+
이 구리판에서 환원되어 구리로 석출되므로 질량이 증가한다.
③ 기체가 발생하지 않으므로 분극현상이 일어나지 않는다.
☞ 염다리(반쪽 전지를 분리하는 다공성 막) : 두 전해질이 섞이지 않게 하고 양쪽 반쪽 전지의 전하가 중성이 되도록 해 주는
것으로 , 다니엘 전지는 염다리가 없으면 반응이 일어나지 않아 전류가 흐르지 않는다. (한천 용액에 KCl 이나 Na2SO4 등을
녹여 굳힌다)
4. 표준 전극 전위
․ 기전력 : 전지가 나타내는 전압의 최대값을 그 전지의 기전력이라고 한다.
․ 표준 기전력 : 전지의 기전력은 전지 반응에 관여하는 물질의 농도와 기체의 압력에 따라 달라지
는데, 용액의 농도가 1M이고 기체의 압력이 1기압일 때의 기전력을 말한다.
→ 전지의 기전력은 2개의 반쪽 전지를 도선으로 연결했을 때 일어나는 전자의 이동으로 생기므로
반쪽 전지만으로 측정할 수 없다.
1) 표준 수소 전극
① 25℃에서 H+의 농도가 1M 인 용액에 백금 전극을 꽂고, 이 백금 전극 주변에 1기압의 H2 기체
를 공급했을 때, 반쪽 전지가 나타내는 전위차를 0V 로 정하는데, 이것을 표준 수소 전극이라고
하며, 모든 표준 전극 전위의 기준이 된다.
염다리
다른 반쪽
전지에 연결
백금전극
H2(g)
1기압
백금에
백금박을
입힌 것
1M H+ 수용액
E° = 0.00V
표준 수소 전극
2H+(aq, 1M, 25℃) + 2e- → H2(g, 1기압)
E ° = 0.00V
2) 표준 전극 전위(E°)
- 25℃에서 이온의 농도가 1M(기체인 경우 1기압)인 어떤 반쪽 전지를 표준 수소 전극과 연결하여
만든 전지의 기전력이다.
☞ 표준 수소 전극과 연결한 전지의 표준 기전력을 측정하면 모르는 표준 반쪽 전지의 전위를 알 수 있다.
① 표준 환원 전위 : 표준 수소 전극과 연결하여 측정한 반쪽 전지의 전위를 환원 반응의 형태로
나타냈을 때의 전위이다.
② 표준 환원 전위 값이 (+)이면 수소보다 환원되기 쉽고, (-)이면 수소보다 환원되기 어렵다.
③ 표준 환원 전위 값이 큰 물질은 환원되기 쉬우므로 전지의 (+)극을 이룬다.
전 극 반 응
E°(V)
F2(g) + 2e- → 2F-(aq)
+2.87
O2(g) + 4H+(aq) + 4e- → 2H2O
+1.23
Ag+(aq) + e- → Ag(s)
+0.80
Fe3+(aq) + e- → Fe2+(aq)
+0.77
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
+0.34
2H+(aq) + 2e- → H2(g)
0.00
Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s)
-0.76
2H2O(l) + 2e- → 2OH-(aq) + H2(g)
-0.83
Al3+(aq) + 3e- → Al(s)
-1.76
전 극 반 응
E°(V)
Mg2+(aq) + 2e- → Mg(s)
-2.83
Li+(aq) + e- → Li(s)
-3.05
▲ 표준 환원 전위
예)
0.34V
Cu 판
환원
염다리
(+)극
(-)극
산화
Cu2+
SO42-
H+
1M CuSO4
1M H+
Pt
Cu 반쪽 전지의 전위 측정
e-
e-
H2
▲ 반쪽 전지의 전위 측정
․ 표준 수소 전극에 Cu2+|Cu 반쪽
전지를 연결하면, 구리 전극에서
환원 반응이 일어나므로 구리 전극
이 (+)극으로 작용
․ Cu2+의 농도가 1M 일때 전지의
기전력은 0.34V 이다.
․ 기전력 = 두 반쪽 전지의 전위차
․ E°전지 (표준 기전력) = E°(+)극-E°(-)극
0.34V = E°(구리반쪽전지)-0.00V
이 값은 환원 반응이 일어날 때의
값이므로 표준환원전위라고 한다.
․ Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
E° = +0.34V
3) 표준 환원 전위의 이용
① 전지의 표준 기전력 계산 : 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위의 차와 같다.
표준 기전력(E°) = (+)극의 표준 환원 전위 - (-)극의 표준 환원 전위
= 큰 값의 표준 환원 전위 - 작은 값의 표준 환원 전위
E° = E°(+)극 - E°(-)극
예) 다니엘 전지(Zn(s)|Zn2+(aq)‖Cu2+(aq)|Cu(s))의 표준 기전력
․ 반쪽 전지의 표준 환원 전위
Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s) E° = -0.76V
Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) E° = +0.34
․ Cu 의 환원 전위 값이 크므로 Cu가 (+)극, Zn이 (-)극으로 작용한다.
(-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- E° = +0.76V
(+)극 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) E° = +0.34
전체 반응 :Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s), E° = +1.10V
ex) 표를 이용하여 다음 전지의 표준 기전력을 구하여라
(1) Li|Li+‖Ag+|Ag 답) +3.85V
(2) Al|Al3+‖Cu2+|Cu 답) +2.10V
② 이온화 경향의 비교 : 표준 환원 전위가 작을수록 양이온이 되기 쉬운 것(산화되기 쉽다)이므로
표준 환원 전위로부터 이온화 경향을 비교할 수 있다. 즉, 이온화 경향이 큰 금속은 표준 환원
전위가 작고, 이온화 경향이 작은 금속은 표준 환원 전위가 크다.
③ 반응의 방향 예측 : 전지의 기전력이 (+)이면 전지 반응이 자발적으로 일어나며, (-)이면 정반응
은 일어나지 않고 역반응이 자발적으로 일어난다.
5. 실용 전지
1) 건전지(아연-탄소 건전지) : Zn(s)｜NH4Cl｜MnO2, C
(+)극 단자
공기
다공성 종이
아연통
MnO2, ZnCl2
금속판
절연체
탄소 막대
(-)극 단자
▲ 건전지의 구조
① 구성 : (-)극은 아연통, (+)극은 탄소 막대이며, 아연통 내부에 감극제인 MnO2, 전해질인 NH4Cl
수용액, 흑연가루(탄소가루)등이 반죽의 형태로 들어있다.
② 전극 반응
(-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (산화)
(+)극 : 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) + 2e- → Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(l) (환원)
전체반응 : Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) →
Zn2+(aq) + 2NH3(aq) + H2O(l) + Mn2O3(s)
③ 특징
㉠ 건전지는 가격이 저렴하고 비교적 안전하며, 다양한 크기로 만들 수 있다.
㉡ 전류가 흐르지 않을 때에도 아연 전극과 NH4+이 반응할 수 있기 때문에 시간이 지남에 따라
반응 물질의 농도가 변하므로 전압이 떨어지는 단점이 있다.
→ 탄소 막대 주위에 NH3가 모여 절연막을 형성하여 전압이 떨어진다.
㉢ 아연 전극의 질량은 감소하고, 탄소 전극의 질량은 변함없다.
☞ 알칼리 전지 : 건전지는 사용하지 않을 때에도 Zn과 NH4+이 반응하여 방전될 수 있기 때문에 수명이 짧다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 전해질로 KOH를 사용한다. 전해질로 알칼리를 사용하므로 아연이 부식되지 않
아 수명이 길고, 안정한 전압과 전류를 얻을 수 있다.
2) 납축 전지
(+)극 단자
(-)극 단자
Pb판
(-)극
PbO2판
(+)극
H2SO4 수용액
▲ 납축전지의 구조
① 구성 : 밀도가 1.25g/mL 정도의 황산에 Pb 판과 PbO2판을 넣어 만든 2차 전지이다.
☞ 1차 전지 : 방전되면 다시 충전할 수 없는 전지 예) 건전지, 수은 전지 등
2차 전지 : 방전되면 충전하여 다시 사용할 수 있는 전지 예) 납축전지, 리튬 이온 전지, 니켈-카드뮴전지 등
☞ 방전 : 자발적인 산화․환원 반응을 통해 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되는 과정
충전 : 방전될 때의 역반응이 일어나면서 기전력이 다시 커지게 되는 과정
② 전극 반응
(-)극 : Pb(s) + SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2e- (산화)
(+)극 : PbO2(s) + 4H+ + SO42-(aq) + 2e- → PbSO4(s) + 2H2O(l) (환원)
전체반응 : Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O(l)
충전
방전
③ 특징
㉠ 방전이 일어나면 (+)극과 (-)극에서 모두 불용성 물질인 PbSO4(s)이 생성되어 전극에 달라
붙으므로 전극의 질량이 증가한다.
㉡ 전해액인 황산은 소모되어 농도가 묽어지면서 기전력이 떨어진다.
㉢ 비교적 큰 전류를 낼 수 있고, 수명이 길며, 낮은 온도에서도 효과적으로 작동한다.
㉣ 충전과정에서 물의 일부가 전기 분해되므로 이를 보충해야 한다.
㉤ 물의 전기분해로 발생한 산소와 수소가 작은 불꽃에 의해서도 폭발할 수 있다.
㉥ 근래에는 물의 전기 분해가 일어나지 않도록 납 합금을 전극으로 사용하는 전지가 개발되어
이러한 단점을 보완하였다.
3) 연료 전지( 수소-산소 연료 전지)
① 연료 전지 : 연료가 가진 화학 에너지를 화학 반응에 의해 직접 전기 에너지로 바꾸는 전환장치
이다.
② 구성
- (-)극에는 H2, (+)극에는 O2를 공급한다.
- 촉매가 채워진 다공성 탄소판을 통해 수소 기체와 산소 기체를 공급하고, 전해질은
KOH 수용액이다.
H2
O2
H2O
H2O
H2
O2
(-)
(+)
KOH
수용액
니켈을 함유한
다공성 탄소 전극
▲ 연료 전지의 구조
③ 전극 반응
(-)극 : 2H2(g) + 4OH-(aq) → 4H2O(l) + 4e- (산화)
(+)극 : O2(g) + 2H2O(l) + 4e- → 4OH-(aq) (환원)
전체반응 : 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)
④ 특징
㉠ 에너지 효율이 매우 높으며, 물만 생성하므로 공해를 거의 일으키지 않는다.
㉡ 장치가 너무 크고, 전지를 작동하는 데 200~300℃의 고온이 요구되며 비용이 많이 든다.
㉢ 1960년 대 우주선의 동력원으로 이용되었고, 최근에는 자동차, 보트, 노트북 컴퓨터 분양에
이용될 수 있도록 연구가 진행되고 있다. 선진국에서는 연료 전지의 원리를 이용한 발전소가
시범 운영되고 있다.
☞ 메모리 효과
- 니켈로 만든 전지에서는 NiOH에 OH-가 떨어졌다 붙었다 하면서 충전과 방전이 일어난다. 그런데 조금만
사용하고 다시 충전하는 일을 반복하면 NiOH는 고용체를 형성하게 되는데, 이 고용체는 한번 형성되면 되돌아가
지 못하게 되어 남아 있는 용량을 사용하지 못하게 된다. 이와 같이 전지가 마치 사용할 수 있는 용량의 한계를
기억하는 것과 같은 현상을 메모리 효과라 한다.
6. 전기 분해
1) 전기 분해 : 산화․환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어 물질을 분해하는 반
응이다.
(-)극 : 양이온 + e- → 홑원소 물질 (환원 반응)
(+)극 : 음이온 → 홑원소 물질 + e- (산화반응)
2) 전기 분해의 원리 : 전해질 수용액이나 용융액에 직류 전류를 가하면 양이온은 (-)극으로, 음이온
은 (+)극으로 이동해서 전하를 얻거나 잃고 중성의 물질로 된다.
․ 양이온이 두 종류 이상일 때 : 환원되기 쉬운 양이온이 환원되어 석출된다.
․ 음이온이 두 종류 이상일 때 : 산화되기 쉬운 음이온이 산화되어 석출된다.
3) 수용액의 전기 분해
- 전해질 수용액에는 전해질의 양이온과 음이온, 물 분자가 존재한다.
① (+)극 : 음이온이 끌려와 전자를 잃고 산화된다.
․ F-, CO32-, NO3-, PO43-, SO42-, HCO3- 등의 음이온은 산화되기 어려우므로 H2O이 대신 산화
되어 O2가 발생한다.
H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e- : 수용액의 pH가 감소한다.(산성화)
② (-)극 : 양이온이 끌려와 전자를 얻어 환원된다.
․ Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Al3+, NH4+ 등의 양이온은 환원되기 어려우므로 H2O이 대신
환원되어 H2가 발생한다.
2H2O + 2e- → H2 + 2OH- : 수용액의 pH가 증가한다.(염기성화)
4) 여러 가지 물질의 전기 분해
① 황산구리(Ⅱ)(CuSO4) 수용액의 전기 분해
- 수용액 속에는 Cu2+, SO42-, H2O이 있는데, Cu2+는 물보다 환원되기 쉽고, SO42-는 물보다 산
화되기 어렵다. 따라서 (-)극에서는 Cu2+이 환원되어 구리가 석출되고, (+)극에서는 물이 산
화되어 O2가 발생한다.
(+)극 : 2H2O(l) → 4H+(aq) + O2 + 4e- (산화)
(-)극 : 2Cu2+(aq) + 4e- → 2Cu(s) (환원)
전체반응 : 2Cu2+(aq) + 2H2O(l) → 4H+(aq) + O2(g) + 2Cu(s)
② 염화나트륨(NaCl) 수용액의 전기 분해
- 수용액 속에는 Na+, Cl-, H2O이 있는데, Cl-는 물보다 산화되기 쉬우므로 (+)극에서는 Cl-이
산화되어 Cl2 가 발생하고, (-)극에서는 Na+이 물보다 환원되기 어려우므로 물이 환원되어 H2
가 발생한다.
(+)극 : 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e- (산화)
(-)극 : 2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq) (환원)
전체반응 : 2Cl-(aq) + 2H2O(l) → Cl2(g) + H2(g) + 2OH-(aq)
③ 물의 전기 분해 : 순수한 물은 거의 이온화가 되지 않아 전류가 흐르지 않으므로 물의 전기 분
해에 영향을 주지 않는 NaOH, KNO3, H2SO4 등을 소량 넣어 전기 분해한다.
(+)극 : 2H2O(l) → O2 + 4H+(aq) + 4e- (산화)
(-)극 : 4H2O(l) + 4e- → 2H2(g) + 4OH-(aq) (환원)
전체반응 : 2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)
④ 기타 전기 분해
- 수용액에서 전기 분해하여 환원 또는 산화시킬 수 없는 물질은 다른 용매에 녹여서 전기 분해
하거나 또는 용융액을 전기 분해하여 원하는 물질을 얻을 수가 있다.
예) 염화나트륨(NaCl)의 용융 전기 분해
- NaCl을 액체로 만든 용융액에는 Na+과 Cl-이 존재한다.
(+)극 : 2Cl- → Cl2 + 2e- (산화)
(-)극 : 2Na+ + 2e- → 2Na (환원)
전체반응 : 2NaCl → 2Na + Cl2
☞ 이 방법으로 염화나트륨 수용액의 전기 분해에서는 얻을 수 없는 금속 나트륨을 얻는다.
ex) 진한 CuCl2 수용액을 구리 전극을 이용하여 전기 분해할 때 (-)극과 (+)극에서 일어나는 반응
을 화학 반응식으로 나타내어라.
답) (+)극 : 2Cl-(aq) → Cl2(g)+ 2e- (산화)
(-)극 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (환원)
7. 전기 분해에서의 양적 관계
1) 패러데이의 법칙 : 1833년 패러데이에 의해 실험적으로 밝혀진 법칙이다.
① 전기 분해가 일어날 때 생성된 물질의 질량과 통해 준 전하량 사이에는 다음과 같은 관계가 성
립한다.
․ 전기 분해에 의해 생성 또는 소모되는 물질의 양은 통해준 전하량에 비례한다.
․ 일정한 양의 전하를 통해 주었을 때 얻어지는 물질의 양은 각 물질의
에 비례한다.
② 1F (패럿) : 전자 1몰의 전하량으로 1패러데이라고 한다.
㉠ 1F = 전자 1개의 전하량 × 아보가드로수
= (1.6×10-19C)×(6.02×1023) ≒ 96500C
㉡ 실험에서 전하량 대신 전류을 측정하는 경우가 많다. 전류는 단위 시간당 흐른 전하량이므로,
전하량은 전류의 세기에 전류를 통한 시간을 곱한 값이다.
전하량 = 전류의 세기 × 시간
즉, 1C(쿨롬) = 1A(암페어) × 1s(초)
<참고> 당량 : 전자 1몰을 받거나 내어 놓을 수 있는 물질의 양을 그 물질의 1g 당량 이라고 하고, 1g 당량에서 g을 떼어낸 양
을 당량이라고 한다.
→ 1g 당량 : 1F의 전기량을 통할 때 석출 또는 발생하는 물질의 양
예) 2Cl → Cl2 + 2e-
71g : 2F → 35.5g : 1F( 1g 당량 )
예) Cu2+ + 2e- → Cu
2몰 : 64g → 1몰 : 32g ( 1g 당량 )
ex)1. 질산은(AgNO3) 수용액에 0.10A 의 전류를 30분 동안 통과시켰을 때 석출되는 은의 질량은
몇 g인가? 단, 은의 원자량은 107.9이다.
답) Ag+ + e- → Ag, 질산은 수용액에 통해준 전하량은 0.10×30×60 = 180C, 1F(96500C)
일 때 1몰(107.9g)의 은이 얻어진다. 따라서, 96500 : 107.9 = 180 : x
∴ x = 0.20g
ex)2. 묽은 염산에 0.1F의 전류를 흘려 전기 분해할 때 (-)극에서 생성되는 물질은 무엇이며, 그
양은 몇 몰인가?
답) 묽은 염산에는 Cl-, H+, H2O가 있다. (-)극으로 H+가 이동하여 H2 발생한다.
2H+ + 2e- → H2
따라서 2F 일 때 1몰의 수소 기체 발생하므로 0.1F 의 전류를 흘려주면 0.05몰의 수소가
발생한다.
ex)3. 황산구리(Ⅱ) (CuSO4) 수용액을 10A의 전류로 16분5초 동안 전기 분해하였다. 통해 준 전기
량은 몇 F(패럿)이며, (-)극에서 석출되는 구리의 질량은 몇 g인가?(단, Cu의 원자량은 64이다.)
답) 전하량(C) = 10 × (16×60 + 5 ) = 9650C = 0.1F
Cu2+ + 2e- → Cu에서 Cu는 2F 일 때 64g의 구리가 생성되므로 0.1F 에서는
64 × 0.05 = 3.2g이 생성된다.
8. 전기 분해의 이용
1) 전기 도금
- 전기 분해를 이용하여 물체의 표면에 은이나 금 및 녹슬지 않는 크롬 등을 입히는 것을 말한다.
- 전기 도금의 목적은 부식 방지와 장식이다.
- 전기 도금 : 도금할 물체를 (-)극에, 도금 시킬 금속을 (+)극에 연결하고, 도금할 금속 이온이 들
어 있는 용액을 전해질로 사용하여 전기 분해하면 물체 표면에 금속이 석출되면서 도금된다.
Ag+
Ag+
Ag+
Ag+
Ag+
Ag+
(+)
(-)
e-
e-
KAg(CN)2 용액
▲ 은 도금
예) 숟가락에 은 도금을 할 경우 :
KAg(CN)2 수용액을 도금액 하고 (-)극에는
숟가락을, (+)극에는 은판을 연결한다.
․ (+)극 : Ag(s) → Ag+(aq) + e- (산화)
․ (-)극 : Ag+(aq) + e- → Ag(s) (환원)
→ 은이 숟가락 표면에 도금된다.
2) 구리의 제련(정제)
Pt
Ag
Fe
Au
Zn
Ag
Ag
Pt
Au
Fe2+
SO42-
SO42-
SO42-
SO42-
Zn2+
Zn2+
Cu2+
Cu2+
직류전원
(+)
불순물을
포함한 구리
(-)
순수한
구리
▲ 구리의 정제
CuSO4 수용액
양극 찌꺼기
- 구리의 순도를 높이기 위해 불순물이 포함된 구리를 (+)극에 연결하고, 순수한 구리를 (-)극에 연
결한 후, CuSO4 수용액에서 전기 분해하면 순수한 구리를 얻을 수 있다.
․ (+)극 : Cu → Cu2+ + 2e- (산화)
․ (-)극 : Cu2+ + 2e- → Cu (환원)
- 불순물 중에서 구리보다 반응성이 큰 금속들은 구리와 함께 산화되어 금속 양이온으로 용액에 녹
아 들어가고, 구리보다 반응성이 작은 금, 은, 백금 등은 녹지 않고 용기 바닥으로 떨어진다.
3) 알루미늄의 제련
탄소
(+)극
산화알루미늄
+
빙정석
탄소
(-)극
용융된
알루미늄
▲ 산화알루미늄의 전기 분해 장치
- 보크사이트로부터 얻은 순수한 산화알루미늄을 용융시켜 전기 분해하여 얻는다.
보크사이트
(Al2O3․nH2O)
산화알루미늄
(Al2O3)
알루미늄
(Al)
+빙정석(Na3AlF6
용융 전기 분해
- 알루미늄은 지각에 많이 존재한다. 그러나 알루미늄은 산화물 형태로 산출되므로 산화알루미늄을
전기분해하여 얻는다. 알루미늄은 산소와의 결합력이 매우 강해 보통의 환원제로는 환원되지 않
으므로 용융시켜 전기 분해하여 얻는다.
(+)극 : 3O2-(aq) + 3C(s) → 3CO(g) + 6e- (산화)
(-)극 : 2Al3+(l) + 6e- → 2Al(s) (환원)
전체반응 : 2Al3+(l) + 3O2-(aq) + 3C(s) → 2Al(s) + 3CO(g)
ex)1. 묽은 황산에 아연판과 구리판을 담그고 도선으로 연결한 볼타 전지에서 (-)극과 (+)극에서는
각각 어떤 변화가 일어나는가?
답) (-)극 : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (산화반응)
(+)극 : 2H+(aq) + 2e- → H2(g) (환원반응)
ex)2. NaCl 수용액을 전기 분해할 때 두 극에서 일어나는 반응을 설명해 보자
답) (+)극 : 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e- (산화)
(-)극 : 2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq) (환원)
ex)3. 2차 전지의 방전과 충전 과정에서 나타나는 에너지 전환에 대해서 말해보자
답) 방전 : 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되는 과정, 전지를 사용하여 전지가 소모되는 과정
이다.
충전 : 전기 에너지가 화학 에너지로 전환되는 과정, 외부에서 전원을 공급하여 전지가 재생
되는 과정이다.
ex)4. CuSO4 수용액을 전기 분해할 때 구리 1몰을 얻기 위해서는 얼마만한 전하량이 필요한가?
답) 구리 이온을 환원시켜 구리 1몰을 얻기 위해서는 전자 2몰에 해당하는 전하량
이 필요하다. 따라서 96500×2 = 193000C 이다.
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