전기 분해
본문알루미늄은 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?
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
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.
2.4.3예제 풀이
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.
- 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.
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.