산화-환원 반응의 가장 유용한 응용 중의 하나가 전기 에너지의 생산이다. 화학반응에 의하여 전자흐름(전류)을 내는 것을 설계하여 전지를 만들었는데 이를 전기화학전지라고 부른다. 예를 들면 아연 원자와 구리 이온 사이의 반응에서 아연이 Cu2+ 이온을 포함한 용액 속에 놓여질 때 전자이동은 아연 금속과 구리이온 사이에서 일어난다.
그래서 단순히 발생된 에너지는 용액과 아연 막대를 가볍게 가열시킨다. 만약 아연이 구리 용액으로부터 분리되고 전류의 흐름으로 연결이 이루어진다면 이 반응은 진행될 수 있는 반면에 이때 전자는 연결선을 통하여 이동한다. [그림 1]는 Zn과 Cu2+의 반응을 포함하는 산화-환원을 이용할 수 있도록 고안된 전지를 보여준 것이다. 양극(-)반응은 아연을 Zn2+ 이온으로 산화시킨다.
전선을 통하여 Zn 전극으로부터의 전자의 흐름은 회로 중의 전등을 켜고, 그 다음에 Cu2+ 이온의 환원이 일어나는 구리 음극(+)으로 흘러든다.
구리는 구리 음전극에서 석출된다.
양극에서 음극 쪽으로의 전자 흐름은 전기적으로 중성화된다. 이것은 두 칸막이로 연결된 염다리를 사용함으로써 이루어진다. 염다리는 K2SO4와 같은 염용액을 포함한다. 이것의 목적은 두 용액을 중성으로 유지시키기 위함이다.
양성구리이온(Cu2+)이 석출되는 음극 주변에는 과도한 황산염 이온(SO42-)의 존재 때문에 용액이 음전하를 띠는 경향이 있다. 두 반응은 음극 주변 용액을 중성으로 유지시켜야 한다. 즉 칼륨 양이온(K+)을 용액으로 움직이게 하거나 혹은 황산염음이온을 염다리를 통해서 용액으로 움직이게 해야 한다. 실제로 두 과정은 모두 일어난다.
양극 주위의 용액도 위와 비슷하게 용액 안에 넣은 아연양이온(Zn2+) 때문에 양전하를 띠는 경향이 있다. 따라서 황산염 이온을 용액으로 보내거나 또는 아연 양이온을 용액 쪽으로 보낸다. 이런 교환에서는 용액 내의 양전하와 음전하의 수가 같도록 해야 한다. 아연 이온과 구리 이온 사이의 반응은 한쪽 또는 다른 한쪽이 모두 소모될 때까지 계속된다.
건전지
전지에는 저장된 화학 에너지가 단순하게 소모되는 건전지 즉 1차 전지가 있다. 전지에선 양극에서 발생된 산화 생성물이 음극에서 생성된 환원 생성물과 함께 섞인다. 이러한 혼합 때문에 전지는 단 한번만 사용되고 버려진다. 전등, 장난감, 라디오, 시계, 카메라 그리고 휴대용 계산기 등을 작동시키는 데 사용되는 흔히 볼 수 있는 전지들이 1차 전지이다.
① 망간 건전지
현재 사용하고 있는 가장 흔한 전지는 1866년 Georges Leclanché가 발명한 망간 건전지이다. 이 전지의 내용물은 아연인데, 아연은 전지에서 양극으로 쓰인다. [그림 2]과 같이 아연은 다공성 종이에 의해서 다른 화학 물질로부터 분리되어 있다. 건전지 음전극의 전극 중심은 흑연이 염화 암모늄, 염화아연, 이산화망간의 젖은 혼합제에 둘러싸여 삽입되어 있다. 전자가 섬광전구를 통하여 전지로부터 흘러나올 때 아연은 산화되고 암모늄 이온은 환원된다.
암모니아 형태는 아연과 반응하여 아연-암모니아 착물이온을 형성한다. 이 화학반응으로 암모니아 가스의 생성을 막아준다.
그리고 발생된 수소는 전지 내의 MnO2에 의하여 산화되는 화학반응으로 수소가스가 축적되지 않는다.
② 알칼리 건전지
알칼리 건전지는 Leclanché 건전지와 비슷한데 단지 전해질 혼합물이 강한 염기인 KOH를 포함하여 아연 전극의 표면적이 증가된다는 것이 다르다. 반응식은 다음과 같다.
③ 수은전지
수은전지는 [그림 3]과 같이 양전극에서의 반응이 알칼리 전지와 유사하다. 음전극 반응은 산화수은의 환원이다.
수은전지는 절대로 불에 버려서는 안 되는데, 그 이유는 수은이 증발될 뿐만 아니라 밀폐용기를 파열시킨다. 수은은 맹독성 물질이므로 만일 수은전지가 부적당하게 버려진다면 환경오염에 심각한 문제를 일으킬 것이다.
④ 리튬전지
리튬전지는 그들의 에너지 함량과 빛의 양 때문에 매우 대중적인데, 양전극으로 리튬금속을 사용한다. 어떤 리튬전지는 산화제로서 MnO2를 사용하고, Pacemaker 전지와 같은 것은 SOCl2와 같은 색다른 화학물질을 사용한다. 반응식은 다음과 같다.
리튬은 그 자체의 강한 환원력 때문에 어떤 산화 매개체와도 쉽게 반응한다. 그러나 리튬의 빠른 산화를 방지하기 위하여 그 표면에 보호적인 염소 피막을 형성시켜야 한다. 실질적으로 모든 리튬전지는 리튬 표면을 보호할 수 있도록 염소와 피막을 형성할 수 있는 몇 개의 다른 반응물을 포함한다. 이 반응물 중 가장 일반적인 것의 하나가 과염소화리튬이다.
축전지
건전지와 다른 형태의 전지로는 재충전할 수 있는 축전지 즉 2차 전지가 있다. 이 2차 전지는 산화 생성물이 양극에 머물고, 환원 생성물은 음극에 남게 되므로 여러 번 충전될 수 있는 장점을 갖고 있다.
① 납 축전지
납 축전지는 가장 광범위하게 사용되는 2차 전지의 하나이다(그림 4 참조). 이 전지가 방전될 때 금속 납은 황화납으로 양극에서 산화되고 산화납은 음극에서 환원된다.
양전극에서 형성된 황화납은 불용성 물질로서 전극 표면에 남는다. 황산이 양전극과 음전극 반응에서 사용될 때 전해질 황산의 농도는 전지가 방전됨으로써 감소된다. 이 전지는 산의 밀도 측정으로 전지의 충전상태를 측정할 수 있다. 전지는 산의 밀도가 낮으면 낮을수록 충전상태가 낮아진다. 재충전 2차 전지는 전지를 통하여 역 전류의 흐름을 요구한다. 이러한 현상이 일어날 때 양극과 음극 반응은 바뀐다.
자동차용 납 축전지의 일반적인 충전은 운전 중에 이루어진다. 전압 조정기는 교류기로부터의 출력을 감지하고, 이 교류기의 전압이 전지의 전압을 능가했을 때 전지는 충전된다. 대부분의 전지는 충전되는 동안에 약간의 물이 음극에서는 환원되고 양극에서는 산화된다.
납 축전지는 값이 싸고 믿을만하며 비교적 간단하고 적당한 수명을 가졌다는 것이 장점이다. 그러나 이 전지는 중량이 크다는 단점이 있다.
② 니켈-카드뮴 전지
니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지는 또 하나의 인기 있는 2차 전지이다. 방전될 때까지 지속적인 전압의 발생과 무게의 가벼움으로 이들 전지는 무선용구, 비디오 캠코더(video camcorder), 휴대용 라디오 등에 많이 쓰인다. Ni-Cd 전지는 반응 생성물이 불용성 수산화물로서 전극 표면에 남기 때문에 양극 반응은 카드뮴을 포함한다.
그리고 음극 반응은 니켈이온의 환원을 포함한다.
여러 가지 산화-환원 짝은 전자의 흐름을 발생시키는 상업적인 전지에 사용된다. 많이 사용되는 몇 가지 전지들을 [표 1]에 나타내었다.
표 1 몇 가지 전지들의 특성
|
전 지 |
양극(산화) |
음극(환원) |
전 해 질 |
전자당 작동전압(volt) |
|
망간건전지 |
Zn |
MnO2 |
NH4Cl-ZnCl2 |
0.9～1.4 |
|
Edison축전지 |
Fe |
산화니켈 |
KOH |
1.2～1.4 |
|
니켈-카드뮴 |
Cd |
산화니켈 |
KOH |
1.1～1.3 |
|
은전지 |
Cd |
Ag2O |
KOH |
1.0～1.1 |
|
납축전지 |
Pb |
PbO2 |
H2SO2 |
1.95～2.05 |
|
수은전지 |
Zn(Hg) |
HgO |
KOH-ZnO |
1.30 |
|
알칼리전지 |
Zn(Hg) |
MnO2 |
KOH |
0.9～1.2 |
|
리튬전지 |
Li |
MnO2 |
KOH |
3.4 |
③ 연료전지
연료전지는 축전지와 같이 전해질에 의해서 분리된 음전극과 양전극이 있다. 에너지 저장 장치가 있는 축전지와는 달리 연료전지는 에너지 전환장치이다. 대부분의 연료전지는 가스상태의 반응물이 산화-환원 반응의 에너지를 직접 전기로 바꾼다. 이 연료전지는 산화-환원 반응의 특수한 응용에 의하여 고안된 전지이다. 연료전지의 가장 일반적인 응용은 제미니, 아폴로 등의 우주 왕복선과 연관성을 갖는다. 수소와 산소의 반응이 물과 에너지를 만든다고 생각하자.
수소와 산소의 혼합물에 불꽃이 튄다면 에너지는 맹렬한 폭발의 형태로 급작스럽게 발생된다. 그러나 만일 백금망사가 있을 경우, 이들 가스는 천천히 백금의 촉매성 표면을 가열하여 백열광을 낸다. [그림 5]의 연료전지에서 수소는 양극에서 산화되고 산소는 음극에서 환원된다. 이때 생성된 물 분자들은 알칼리 전해질 용액(KOH 수용액) 속으로 방전된다. 산소에 의한 수소의 산화는 수소분자가 산소의 전극으로 들어가서 전자를 잃게 되는 조정 가능한 형태로 일어난다. 이들 전자의 흐름으로 전기가 발생되고 연료전지에서 나오는 물은 정제과정을 거쳐서 음료수로 사용할 수 있다.
연료전지는 축전지에 비하여 고효율성을 갖고 있기 때문에 우주 계획에서 그 유용성이 증명되어 왔다. 알칼리 연료전지는 우주에서 10,000시간에 걸치는 작동실험결과를 갖고 있다. 우주 왕복선의 7일간 항해 중에 왕복선 연료전지는 1500lb의 수소를 소모하고 마실 수 있는 물을 190gal 생산했다.
최근에 개발된 다른 형태의 연료전지는 산화제로 공기를 사용하였고 덜 깨끗한 수소나 이산화탄소를 연료로 사용하였다. 그리고 앞으로 개발될 가능성이 큰 전지로는 천연가스와 같이 값이 싼 가스 연료를 사용하는 것이다.
[일반화학]전기화학 레포트
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