나뭇잎 교과서

전기 분해

전지는 반응으로 전기를 만들고, 전기 분해는 전기로 반응을 일으킵니다. 알루미늄 캔, 순수한 구리선, 수돗물 소독용 염소는 모두 전기 분해로 만들어집니다.

본문

전기 분해

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알루미늄은 광석에서 녹여 꺼내는 데 엄청난 전기가 든다. 그래서 알루미늄 캔 하나를 재활용하면 새로 만드는 데 드는 에너지의 약 95%를 아낄 수 있다고 한다. 알루미늄은 왜 전기로만 얻을 수 있고, 1 kg을 얻는 데 전기가 얼마나 들까? 흘려 준 전기의 양과 얻는 금속의 양 사이에는 어떤 관계가 있을까?

그림 1. 황산 구리 수용액을 전기 분해할 때 (−)극에 석출되는 구리의 질량. 흐른 전하량(전류 × 시간)에 정비례한다.
먼저 알아야 할 것화학 전지(화학 전지의 발달), 표준 환원 전위(표준 환원 전위와 전지 전위), 이온의 이동, 전하량 = 전류 × 시간(물리학).

2.4.1전기 분해

화학 전지는 저절로 일어나는 산화·환원 반응으로 전기를 만든다. 반대로 바깥에서 전원을 연결해 저절로 일어나지 않는 산화·환원 반응을 억지로 일으키는 것이 전기 분해이다. 전원의 (−)극에 연결된 전극에서는 전자를 받는 환원이, (+)극에 연결된 전극에서는 전자를 내주는 산화가 일어난다.

알루미늄은 표준 환원 전위가 −1.66 V로 매우 작다. 즉 알루미늄 이온은 전자를 받기가 매우 어려워 탄소 같은 환원제로는 꺼낼 수 없다. 그래서 산화 알루미늄을 녹인 뒤 큰 전류를 흘려 억지로 전자를 밀어 넣는다. 그리고 수용액에서는 알루미늄 이온 대신 물이 먼저 환원되어 수소가 나오므로, 물 없이 녹인 상태에서 전기 분해한다.1

2.4.2패러데이 법칙

정리 2.4.1 패러데이 전기 분해 법칙

전극에서 반응하는 물질의 양은 흐른 전하량에 비례한다. 전자 1 mol의 전하량은 패러데이 상수 \(F \approx 96\,500\) C/mol이므로, 전류 \(I\)를 시간 \(t\) 동안 흘리면 전자 \(\dfrac{It}{F}\) mol이 이동한다.

구리 이온은 \(\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}\)이므로 전자 2 mol에 구리 1 mol이 석출된다. 그림 1에서 전류나 시간을 2배로 하면 구리도 2배가 된다. 따라서 금속을 얻는 데 드는 전기는 금속의 몰수와 이온의 전하에 비례한다. 알루미늄은 Al³⁺이라 원자 하나에 전자 3개가 필요하고, 원자량이 작아 1 kg에 원자가 많다. 그래서 같은 질량을 얻는 데 구리보다 훨씬 많은 전기가 든다.

(−)극 Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu(+)극 산화 전원이 전자를(−)극으로 밀어 넣는다
그림 2. 전기 분해에서는 전원이 전자를 (−)극으로 밀어 넣어 환원을 일으킨다.

2.4.3예제 풀이

예제 2.4.2

2.0 A의 전류로 30분 동안 황산 구리 수용액을 전기 분해하면 구리가 몇 g 석출되는가? 또 알루미늄 1.0 kg을 얻는 데 필요한 전하량을 구하고, 전압이 4.5 V라면 전기 에너지는 몇 kWh인가? (Cu 63.5, Al 27 g/mol)

전하량은 \(2.0 \times 1800 = 3600\) C이고 전자는 \(\dfrac{3600}{96\,500} \approx 0.0373\) mol이다. 구리는 그 절반인 0.0187 mol, 곧 \(0.0187 \times 63.5 \approx 1.19\) g이다.

알루미늄 1.0 kg은 \(\dfrac{1000}{27} \approx 37.0\) mol이고, 전자는 3배인 111 mol이 필요하다. 전하량은 \(111 \times 96\,500 \approx 1.07 \times 10^7\) C이다. 에너지는 \(1.07 \times 10^7 \times 4.5 \approx 4.8 \times 10^7\) J이고, 1 kWh가 \(3.6 \times 10^6\) J이므로 약 13 kWh이다. 실제 공장은 손실까지 더해 1 kg에 약 15 kWh를 쓴다. 한 가정이 하루 반 동안 쓰는 전기와 맞먹는다. 그러나 캔을 녹여 재활용하면 산화·환원이 필요 없어 그 대부분을 아낄 수 있다.

아래 탐구 카드에서 전기를 얼마나 흘리면 금속을 얼마나 얻는지, 물을 전기 분해하면 왜 수소가 산소의 2배 나오는지 직접 계산해 보자.

  1. 산화 알루미늄의 녹는점은 2000 °C가 넘는다. 1886년 홀과 에루는 빙정석에 녹이면 약 1000 °C에서 녹는다는 것을 각각 발견하여 알루미늄을 싸게 만드는 길을 열었다. 그전에는 알루미늄이 금보다 비쌌다.
마무리

전기 분해는 바깥 전원으로 저절로 일어나지 않는 산화·환원 반응을 일으키는 것이며, (−)극에서 환원, (+)극에서 산화가 일어난다. 반응하는 물질의 양은 흐른 전하량에 비례하여 전자 \(\frac{It}{F}\) mol만큼 반응한다. 그래서 처음 질문의 알루미늄은 이온을 환원하기 어려워 1 kg에 10 kWh가 넘는 전기가 들고, 캔을 재활용하면 이 산화·환원 과정을 건너뛰어 전기를 크게 아낀다.

탐구 1

전기를 얼마나 흘리면 금속을 얼마나 얻을까?

전기 분해 · 전극 반응과 패러데이 법칙
흐른 전하량 · 전자의 양
—
(−)극 (환원)
—
(+)극 (산화)
—

패러데이 상수는 F = 96 500 C/mol로 두었다. 기체 부피는 25 °C, 1기압(1 mol = 24.5 L)으로 계산했고, 전류가 모두 표시한 반응에 쓰인다고 가정했다.

  1. 질문알루미늄은 지각에 가장 많은 금속인데 19세기 중반까지 금보다 비쌌다. 지금은 캔으로 쓰고 버릴 만큼 싸졌는데, 그 사이에 무엇이 바뀌었을까?
  2. 복원화학 전지에서는 E°가 작은 쪽이 산화되며 저절로 전류가 흐른다(화학 전지). 또 물을 전기 분해하면 (−)극에서 수소, (+)극에서 산소가 발생한다(화학).
  3. 설명전기 분해는 외부 전원으로 저절로 일어나지 않는 산화·환원 반응을 일으키는 것이다. 전원의 (−)극에 연결된 전극에서는 양이온이나 물이 전자를 받아 환원되고, (+)극에 연결된 전극에서는 음이온이나 물, 전극 금속이 산화된다. 수용액에서는 이온과 물 중 더 쉽게 반응하는 쪽이 반응하므로, 소금물에서는 Na⁺ 대신 물이 환원되어 H₂가 생긴다. 생성물의 양은 흐른 전하량에 비례하며, 전자 1 mol의 전하량을 패러데이 상수 F ≈ 96 500 C라 한다.
  4. 연결1886년 홀과 에루는 알루미늄 산화물을 녹인 빙정석에 녹여 전기 분해하는 방법을 발견해 알루미늄 값을 크게 낮췄다. 소금물을 전기 분해하면 염소(소독약, PVC 원료), 수산화 나트륨, 수소를 얻는데 이를 염소–알칼리 공업이라 하고, 불순한 구리를 (+)극으로 해서 순수한 구리를 (−)극에 붙이는 구리 정련으로는 전선용 구리를 만든다. 도금과 물 전기 분해로 만드는 그린 수소도 같은 원리이다.
  5. 적용세 경우의 전극 생성물을 비교해 보자. 같은 전류와 시간이면 나트륨과 구리 중 어느 쪽 원자가 더 많이 석출될까? 구리 1 kg을 정련하려면 10 A로 몇 시간이 걸릴까?
  6. 판단전기 분해는 에너지를 많이 쓴다. 알루미늄 1톤을 만드는 데 약 13~15 MWh의 전기가 들기 때문에, 재활용하면 새로 만들 때 에너지의 약 5 %만 든다. 따라서 전기 분해로 만든 물질이 친환경인지는 그 전기를 무엇으로 만들었는지에 달려 있다.

확인조건이 달라지면

같은 전하량으로 AgNO₃ 수용액과 CuSO₄ 수용액을 각각 전기 분해했다. (−)극에 석출되는 Ag와 Cu의 몰수 비(Ag : Cu)는?

탐구 2

물을 전기 분해하면 왜 수소가 산소의 2배 나올까?

호프만 장치 · 전하량과 기체의 양
흐른 시간
—
전하량
—
이동한 전자
—
H₂ : O₂ (mL)
—

(−)극에서는 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻, (+)극에서는 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻가 일어난다. 물에 황산 나트륨을 조금 녹여 전류가 잘 흐르게 했다고 가정하고, 25 °C, 1 atm에서 화면의 1초를 실제 1분으로 보였다.

  1. 질문물에 전류를 흘리면 (−)극에서는 수소, (+)극에서는 산소가 나온다. 그런데 부피를 재 보면 수소가 언제나 산소의 2배이다. 왜 하필 2배일까?
  2. 복원물의 화학식은 H₂O이다. 그리고 전선 속에서 전류를 나르는 것은 전자이고, 전자 1몰이 나르는 전하량은 약 96500 C이다.
  3. 설명(−)극에서는 전자 2개가 H₂ 분자 1개를 만들고, (+)극에서는 전자 4개가 빠져나갈 때 O₂ 분자 1개가 생긴다. 같은 수의 전자가 회로를 돌므로 H₂ 분자 수는 O₂의 2배이고, 같은 온도와 압력에서 부피도 2배이다.
  4. 연결그래서 생기는 기체의 양은 흘려 준 전하량(Q = I × t)에 비례한다. 전기 에너지로 물 분자 속의 결합이 끊어졌고, 그 양이 전자의 수로 정확히 정해지는 것이다. 화학 결합에 전자가 관여한다는 근거가 여기에 있다.
  5. 적용‘전류 흘리기’를 누르고 전류를 바꿔 보면 기체가 빨리 모이지만, 그래프에서 같은 전하량일 때의 부피는 그대로이다. 부피 비가 항상 얼마인지도 확인해 보자.
  6. 판단2 : 1은 H₂O의 원자 수 비와 같지만, 그렇다고 ‘물 분자 속 H₂와 O가 그대로 떨어져 나온다’는 뜻은 아니다. 두 극에서 일어나는 반응은 따로 있고, 전자 수가 둘을 잇는다. 또 실제 실험에서는 산소가 물에 조금 더 잘 녹아 비가 2보다 약간 크게 나오기도 한다.

확인조건이 달라지면

같은 장치에 0.20 A의 전류를 965초 동안 흘렸다. 25 °C, 1 atm에서 모인 기체의 부피는? (전자 1몰의 전하량 96500 C)

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