화학 전지의 발달

1800년 볼타는 아연판과 구리판을 묽은 황산에 담가 처음으로 전류를 계속 흐르게 하는 전지를 만들었다. 그런데 이 전지는 몇 분 만에 전압이 뚝 떨어졌다. 36년 뒤 다니엘은 두 금속을 서로 다른 용액에 담그고 그 사이를 연결해 오래가는 전지를 만들었다. 무엇이 볼타 전지를 약하게 했고, 다니엘은 어떻게 그 문제를 풀었을까?

전지

2.2.1화학 전지의 원리

아연을 황산 구리 용액에 넣으면 아연이 전자를 잃고 구리 이온이 그 전자를 받아 구리가 석출된다. 이 전자 이동이 금속 표면에서 바로 일어나면 에너지는 열로 흩어진다. 그런데 산화와 환원이 일어나는 곳을 나누고 도선으로 이으면, 전자가 도선을 따라 흐르며 전기 에너지가 된다. 이것이 화학 전지이다.

볼타 전지에서는 아연이 산화되어 녹아 나가고, 구리판 표면에서는 황산의 H⁺가 전자를 받아 수소 기체가 된다. 그런데 생긴 수소 기포가 구리판을 덮어 H⁺가 전자를 받지 못하게 막았다. 이를 분극이라 하며, 볼타 전지의 전압이 금방 떨어진 까닭이다.

2.2.2다니엘 전지와 그 뒤

다니엘은 아연을 황산 아연 용액에, 구리를 황산 구리 용액에 따로 담그고, 두 용액을 염다리로 이었다. 그러면 (+)극에서는 기체 대신 구리 이온이 환원되어 구리가 석출되므로 분극이 생기지 않는다. 염다리는 이온을 오가게 하여 두 용액의 전하 균형을 맞춘다. 그래서 다니엘 전지는 약 1.1 V를 오래 유지했다.¹

그 뒤 납축전지는 충전하여 다시 쓸 수 있게 했고, 망가니즈 건전지는 액체를 반죽으로 바꾸어 들고 다닐 수 있게 했다. 리튬 이온 전지는 가장 가볍고 반응성이 큰 리튬을 써서 전압과 질량당 에너지를 크게 높였다.

2.2.3예제 풀이

아연 6.5 g은 0.10 mol이고 \(\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-\)이므로 전자는 0.20 mol이다. (+)극에서는 \(\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}\)이므로 구리 0.10 mol, 곧 6.35 g이 석출된다.

흐른 전하량은 \(0.20 \times 96500 = 19\,300\) C이고, 전기 에너지는 전하량 × 전압 \(= 19\,300 \times 1.10 \approx 21\,200\) J, 곧 약 21 kJ이다. 이는 1 W짜리 전구를 약 6시간 켤 수 있는 에너지이다. 같은 질량의 리튬 이온 전지는 이보다 수십 배 많은 에너지를 담는다. 그래서 휴대 전화와 전기 자동차가 가능해졌다.

아래 탐구 카드에서 금속의 반응성과 전지의 관계를 확인하고, 개구리 다리에서 스마트폰 배터리까지 전지의 역사를 따라가 보자.

1. 갈바니는 1780년대에 개구리 다리가 두 금속에 닿으면 움찔하는 것을 보고 '동물 전기'라고 생각했다. 볼타는 전기가 개구리가 아니라 서로 다른 두 금속에서 생긴다는 것을 보여 전지를 만들었다.