전기 분해 생성물의 양

구리판 두 장을 황산 구리(II) 용액에 담그고 전원 장치에 이어 0.500 A를 20.0분 동안 흘렸다. 음극 쪽 구리판에는 붉은 구리가 새로 덮였고, 양극 쪽 구리판은 조금 얇아졌다. 실험 전에 미리 계산한 예측은 0.198 g이었는데, 말려서 달아 보니 음극은 0.192 g 무거워졌고 양극은 0.199 g 가벼워졌다. 흘린 전기의 양으로 생길 물질의 양을 어떻게 미리 계산했을까? 그리고 두 전극의 값은 왜 조금 다를까?

3.6.1전자의 몰수가 물질의 몰수를 정한다

전기 분해는 전원이 전자를 밀어 넣어 저절로는 일어나지 않는 산화·환원 반응을 일으키는 것이다. 음극에서는 구리 이온이 전자 2개를 받아 구리 원자가 되고, 양극에서는 구리 원자가 전자 2개를 내놓고 이온이 되어 녹아 나간다. 전극에서 생기는 물질의 양은 전극을 지나간 전자의 수로 정해진다. 전자 1 mol의 전하량은 96 485 C로, 이것을 패러데이 상수라 한다.

전류를 두 배로 하거나 시간을 두 배로 하면 생기는 구리도 두 배이다. 같은 전하량이라도 은 이온처럼 전자 1개로 환원되는 이온은 구리보다 몰수로 두 배가 생긴다. 이 법칙 덕분에 전류와 시간만 정확히 재면, 저울에 달기 전에 생길 물질의 양을 미리 알 수 있다. 거꾸로 생긴 물질의 질량을 재면 흘린 전하량을 알 수 있어서, 예전에는 이 방법으로 전류의 단위를 정하기도 했다.¹

3.6.2두 전극이 다른 까닭

이상적이라면 양극에서 녹은 구리와 음극에 붙은 구리는 같아야 한다. 그러나 음극에 붙은 구리 가운데 일부는 단단히 붙지 않아 씻을 때 떨어져 나가고, 전류가 너무 크면 구리 대신 수소가 생기는 반응이 함께 일어나 전자의 일부가 구리를 만드는 데 쓰이지 않는다. 양극에서는 구리판 속 불순물이 함께 떨어져 나가 실제보다 많이 가벼워질 수 있다. 그래서 측정값을 예측과 비교해 전류의 몇 %가 원하는 반응에 쓰였는지, 곧 전류 효율을 따진다. 전류를 작게 하고 전극을 천천히 씻어 말리면 효율이 100%에 가까워진다.

3.6.3예제 풀이

전하량은 \(0.500 \times 1200 = 600\) C이고, 전자의 몰수는 \(600/96\,485 \approx 6.22 \times 10^{-3}\) mol이다. 구리는 전자 2개마다 1개가 생기므로 \(3.11 \times 10^{-3}\) mol, 질량은 \(3.11 \times 10^{-3} \times 63.55 \approx 0.198\) g이다. 측정한 0.192 g은 그 97%이므로 전류 효율은 약 97%이다.

은 이온은 전자 1개로 환원되므로 같은 전하량에서 은은 \(6.22 \times 10^{-3}\) mol이 생기고, 질량은 \(6.22 \times 10^{-3} \times 107.87 \approx 0.671\) g이다. 구리보다 3.4배 무겁다. 몰수로 두 배이고 원자 하나가 1.7배 무겁기 때문이다. 즉 전기 분해에서 생기는 물질의 양은 흘린 전하량과 이온이 받는 전자 수로 정해지며, 측정과 예측의 차이는 원하지 않는 반응이나 손실을 알려 준다.

아래 탐구 카드에서 전류와 시간을 정해 생길 구리의 양을 먼저 예측하고, 전기 분해 후 저울로 확인해 보자.

1. 1834년 영국의 패러데이가 여러 물질을 전기 분해하여 이 법칙을 찾았다. 1908년 무렵에는 질산 은 용액에서 1초에 1.118 mg의 은을 석출시키는 전류를 1 A로 정한 '국제 암페어'가 쓰이기도 했다.