| 전기분해의 응용 |
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 백도원 | 천안성정중학교 3학년 |
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전기분해는 전해질 수용액에 전극을 담그고 직류 전류를 흘려 주었을 때, 수용액 속의 이온들이 각각 반대 전하를 띤 전극 쪽으로 이동하여, 산화/환원 반응을 일으키게 되는 것을 의미한다. 전기분해는 알루미늄이나 구리의 제련, 전기 도금 등에 이용된다. 이 글에서는, 전기 분해를 이해하기 위해 기초가 되는 산화/환원 반응과, 전기 분해 과정에 대해 간단히 설명한 후, 전기분해를 알루미늄이나 구리의 제련, 전기 도금 등에 어떻게 이용할 수 있는지 설명해 보겠다.
먼저, 산화/환원의 정의에 대해 이야기해 보겠다. 산화/환원에는 크게 4가지 정의가 있다. 어떤 물질이 산소를 얻었거나, 수소를 잃었거나, 전자를 잃었거나, 산화수가 증가했을 때 그 물질이 '산화되었다'고 하며, 반대로 어떤 물질이 산소를 잃었거나, 수소를 얻었거나, 전자를 얻었거나, 산화수가 감소했을 때 그 물질이 '환원되었다'고 한다. 이 때, 산화수는, 물질 중의 원자가 어느 정도 산화 또는 환원되었는지를 수치로 나타낸 것이며, 어떤 주어진 반응식에서 산화수를 구해 보면, 앞에서 이야기한 산화/환원의 정의로부터, 어떤 물질이 산화되었는지, 또는 환원되었는지를 쉽게 알아낼 수 있다. 어떤 물질을 이루는 각 원자들의 산화수를 구하기 위해서는, 그 물질의 루이스 전자점식을 그린 후, 공유 전자쌍을, 그 전자를 공유하는 두 원자 중 전기음성도가 큰 원자가 모두 가져갔다고 생각하고, 각 원자가 가지고 있는 전자의 개수를 세어, 이 값을 그 원자의 원자가 전자 수에서 빼면 된다. 예를 들어, 물 분자에서 수소와 산소의 산화수를 각각 구해보자. 산소가 수소보다 전기음성도가 크기 때문에, 산소가 모든 공유전자쌍을 가져갔다고 생각하면, 수소 원자의 산화수는 1-0=1, 산소 원자의 산화수는 6-8=-2가 된다. 하지만, 어떤 물질이 주어질 때마다, 그 물질의 산화수를 구하기 위해 루이스 전자점식을 그리는 것은 시간이 많이 소요되므로, 산화수를 정하는 규칙을 사용하여 산화수를 계산하기도 한다. 하지만, 탄소화합물의 경우는, 반드시 루이스 전자점식을 그려 산화수를 계산해야 한다.
다음으로, 전지에 대해 이야기해 보겠다. 화학 전지는 자발적으로 일어나는 산화/환원 반응으로 인해 생기는 전자의 이동을 이용하여 전류를 얻는 장치이다. 그리고 (-)극에서는, 전자를 내어놓는 산화 반응이 일어나며, (+)극에서는, 전자를 받아들이는 환원 반응이 일어나게 된다. 즉, 전자는 (-)극에서 (+)극 쪽으로 이동하게 되는 것이다. 일반적으로, (-)극의 금속으로는, 전자를 잘 내어놓는, 이온화 경향성이 큰 금속을 사용하며, (+)극의 금속으로는, 전자를 잘 받아들이는, 이온화 경향성이 작은 금속을 사용하게 된다. 대표적인 화학 전지의 예로, 다니엘 전지가 있다. 다니엘 전지는, 볼타 전지의 문제점을 개선한 전지인데, 볼타 전지는 (-)극 금속과 (+)극 금속을 같은 전해질 용액에 넣고, 전해질 용액으로 묽은 황산을 사용한 전지이다. 수소가 전자를 받아 기체가 될 때, 수소 기체가 구리판을 둘러싸 수소 이온이 전자를 받는 반응을 방해하여, 전압이 떨어지는 분극 현상이 일어나게 되었다. 그래서, 다니엘 전지는 (-)극 금속과 (+)극 금속을 각각 황산아연 수용액, 황산구리 수용액에 넣고, 염다리를 설치해 만든 전지이다. 이 때, 전자가 이동하면서, (+)극 쪽에 (-)전하의 양이 증가하고, (-)극 쪽에 (-) 전하의 양이 감소하므로, 양쪽 반쪽 전지의 전하가 중성이 되도록 해 주기 위해, 염다리를 설치한 것이다.
다음으로 전기분해에 대해 이야기해 보겠다. 전기분해의 경우, (+)극과 (-)극에서 일어나는 반응이, 산화/환원 반응과 반대가 된다. 즉, (-)극에서는 양이온이 전자를 받아 환원되는 반응이 일어나며, (+)극에서는 음이온이 전자를 내놓는 산화 반응이 일어나게 된다. 일반적으로, 수용액 내에 존재하는 이온들이 경쟁 반응을 하여, (-)극에서는 환원 전위가 큰 물질이 환원되고, (+)극에서는 환원 전위가 작은 물질이 산화되게 된다. 이 때, 어떤 산화/환원 반응이 기체가 발생하는 경우, 그 이온이 수용액 내에 존재하는, 환원 전위가 가장 크거나 작은 물질이라도, 산화/환원 반응을 하지 않을 수도 있다.
마지막으로, 전기 분해의 응용에 대해 이야기해 보겠다. 먼저, 알루미늄의 제련에 전기 분해가 응용된다. 알루미늄은 지각에 가장 많이 존재하는 금속으로, 산화물의 형태로 산출되므로, 산화알루미늄을 전기분해해서 순수한 알루미늄을 얻는다. 다음으로, 구리의 제련에도 전기 분해가 응용된다. 불순물이 포함된 구리를 (+)극, 순수한 구리를 (-)극, 황산구리 수용액을 전해질로 하여, 전기분해를 하면, 순수한 구리를 얻을 수 있다. 구리보다 이온화 경향이 작은 은, 금, 백금과 같은 금속들은 전지의 바닥에 떨어지며, 구리와 구리보다 이온화 경향이 큰 금속들은 전자를 잃고, 수용액 중에 이온 상태로 존재하게 되는데, 구리만이 (+)극에서 전자를 받아 금속으로 석출 되기 때문에, 순수한 구리를 얻을 수 있는 것이다. 마지막으로, 전기 도금에도 전기 분해가 응용된다. 예를 들어, 놋숟가락에 은 도금을 하려면, 놋숟가락을 (-)극에, 은 이온을 공급할 은판을 (+)극에, 은 이온이 포함된 질산은 수용액을 전해질로 이용하면, (+)극에서 은 이온이 산화되어, (-)극에서 은 금속으로 석출되므로, 놋숟가락에 은 도금을 할 수 있는 것이다.
앞에서 설명한 것처럼, 전기 분해는 알루미늄과 구리의 제련, 전기 도금 등 다양한 곳에 이용된다. 앞으로 새로운 과학 개념을 학습할 때, 그 개념을 실생활에 적용할 수 있는 방법에 대해 고민하면서 학습을 한다면, 그 과학 개념에 대한 이해도를 더욱 높일 수 있을 것이다. |
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