화학 결합의 전기적 성질
본문물에 전극 두 개를 꽂고 전류를 흘리면 양쪽 전극에서 기포가 올라온다. 모아 보면 한쪽은 수소, 다른 쪽은 산소이고, 수소의 부피가 언제나 산소의 2배이다. 전류가 원자 사이의 결합을 끊었다면, 결합에는 무엇이 관여하고 있을까?
2.1.1물의 전기 분해
순수한 물은 전류가 거의 흐르지 않으므로 황산 나트륨처럼 반응에 참여하지 않는 전해질을 조금 녹여 전류가 잘 흐르게 한다. 전원의 (−)극에서는 물 분자가 전자를 얻어 수소 기체가 되고, (+)극에서는 물 분자가 전자를 내놓아 산소 기체가 된다.
(−)극 \(4\text{H}_2\text{O} + 4e^- \to 2\text{H}_2 + 4\text{OH}^-\)
(+)극 \(2\text{H}_2\text{O} \to \text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e^-\)
전체 \(2\text{H}_2\text{O} \to 2\text{H}_2 + \text{O}_2\)
두 전극 반응을 보면 같은 수의 전자 4개가 오가는 동안 수소 분자 2개와 산소 분자 1개가 생긴다. 같은 온도와 압력에서 기체의 부피는 분자 수에 비례하므로 부피비가 \(2 : 1\)이다. 그림 1에서 시간을 늘리면 두 기체가 함께 늘어나지만 비는 바뀌지 않는다. 생긴 기체의 양은 흐른 전하량에 정확히 비례한다.1
2.1.2이온 결합 물질의 전기 전도성
소금(\(\text{NaCl}\))은 나트륨 이온 \(\text{Na}^+\)과 염화 이온 \(\text{Cl}^-\)이 전기적 인력으로 번갈아 쌓인 이온 결정이다. 고체 상태에서는 이온이 제자리에 묶여 움직이지 못하므로 전류가 흐르지 않는다. 그런데 녹여서 액체로 만들거나 물에 녹이면 이온이 자유롭게 움직여 전류가 흐른다.
녹은 염화 나트륨에 전류를 흘리면 (−)극에서 \(\text{Na}^+\)이 전자를 얻어 나트륨 금속이 되고, (+)극에서 \(\text{Cl}^-\)이 전자를 잃어 염소 기체가 된다. 전기로 물질을 이루는 성분이 갈라진다는 사실은 화학 결합에 전자가 관여하고 있다는 강력한 근거이다.
2.1.3예제 풀이
물을 전기 분해하여 (−)극에서 수소 기체 4.48 L(0 °C, 1기압)를 얻었다. 이때 (+)극에서 생긴 산소 기체의 부피와 질량, 그리고 전극 사이를 이동한 전자의 몰수를 구하여라.
수소의 몰수는 \(\dfrac{4.48}{22.4} = 0.2\) mol이다. 수소와 산소는 \(2 : 1\)로 생기므로 산소는 0.1 mol, 부피는 2.24 L, 질량은 \(0.1 \times 32 = 3.2\) g이다.
(−)극 반응에서 수소 분자 하나가 생길 때 전자 2개가 쓰이므로, 이동한 전자는 \(0.2 \times 2 = 0.4\) mol이다. (+)극에서도 산소 분자 하나에 전자 4개가 나오므로 \(0.1 \times 4 = 0.4\) mol로 같다. 두 전극에서 주고받은 전자의 수가 같아야 회로에 전류가 이어진다.
패러데이는 이런 측정에서 물질의 양과 전하량 사이의 정확한 비례 관계를 찾아냈고, 이는 전기가 일정한 크기의 알갱이로 되어 있다는 생각으로 이어졌다. 아래 탐구 카드에서 물의 전기 분해와 소금의 전기 전도성을 직접 확인해 보자.
- 전자 1 mol의 전하량은 약 96 500 C이며, 이를 패러데이 상수라 한다. 1 A의 전류가 30분 흐르면 1800 C, 곧 약 0.019 mol의 전자가 이동한다.
물은 전기 분해되어 수소와 산소를 \(2 : 1\)의 부피비로 내놓고, 이온 결합 물질은 이온이 움직일 수 있을 때 전류를 흘리며 성분 원소로 갈라진다. 생긴 물질의 양은 이동한 전자의 수에 비례한다. 그래서 처음 질문의 결합에는 전자가 관여하고 있으며, 전류는 그 전자를 주고받게 하여 결합을 끊는다.