물리화학개론 | 전기화학의 기본개념

 

 

 

TIP

 

 

1. 전기화학이란?
2. 산화와 환원
3. 반쪽반응(half-cell reaction)과 전체반응(overall reaction)
4. 산화전극(anode)/환원전극(cathode)과 -극/+극
5. 전극과의 전자 전달반응
6. 전기화학 셀
7. 전극전위(electrode potential)와 기준전극(reference electrode)
8. 표준전극전위(standard electrode potential, Eo)
9. 네른스트 식 (Nernst equation)
10. 기준전극의 종류에 따른 전극전위의 표현법 및 측정값 변환
11. 전기화학적 개념과 화학적 개념의 유사성

 

 

 

1. 전기화학이란?

전기화학은 물질과 전기 사이의 작용 및 이에 따른 현상을 다루는 학문으로서, 전자전달과 관련된 화학이라 말할 수 있다. 이 세상에 존재하는 화학반응 중 전자전달과 함께 일어나는 반응이 가장 많은 것으로 알려져 있다. 엄밀하게 말하면, 전자전달, 전자이동, 전자의 재배치, 혹은 전자의 재분포 없이는 아무런 반응도 진행될 수 없다. 전자전달이 수반되는 반응이라 하더라도 물질간의 전자전달반응 후 변환된 물질과 본래의 물질의 에너지 차이인 반응에너지가 열이나 빛으로 변환되는 것은 일반적으로 전기화학의 범주에 넣지 않는다.

 

이러한 전자전달반응을 전극을 이용하여 일으키게 되면, 전자전달과 관련된 화학에너지를 전기적인 에너지로 변환시킬 수 있게 된다. 또한, 역으로 전기적인 에너지를 전극을 통하여 걸어주게 되면, 전자의 이동을 유발시켜 화학반응을 일으킬 수 있게 된다. 다시 말해, 화학적인 전자전달현상과 전기에너지 혹는 전기신호를 전극을 통하여 관련시키는 영역을 일반적으로 전기화학이라 한다.

 

예를 들면 전지의 작용, 전기분해, 금속의 부식, 도금, 제련, 전류나 전압의 측정에 의한 포도당 농도 혹은 용존산소 농도의 측정, 가성소다와 염소의 제조, 나일론66의 원료인 아디포니트릴의 생성, 신경전달, 근육의 수축 등 헤아릴 수 없이 많은 분야에 전기화학의 기본적인 원리가 응용되고 있고, 전기화학적인 방법이 동원되어 연구되고 있다. 이러한 모든 것들의 기본에는 전자전달에 관련된 화학반응과 전기에너지 혹은 전기신호와의 관계성이 자리잡고 있다.

 

이와 같은 전기화학반응은 일반적인 화학반응과 마찬가지로, 자발적으로 일어나며 에너지를 방출하는 반응과 에너지를 넣어주어야 일어나는 바자발적인 반응으로 나눌 수 있다. 자발적으로 전기화학반응이 일어나는 갈바니(Galvanic) 혹은 볼타(Volta) 형태의 반응과, 전기에너지가 들어가는 비자발적인 전기분해(electrolytic) 형태의 반응으로 구분할 수 있다. 전기화학반응에 의해 물질이 변환될 때 그 물질이 가지고 있는 에너지가 전기적인 에너지로 변환되어 이용되는 대표적인 것이 전지(battery), 연료전지(fuel cell) 등이다.

 

한 번 쓰고 나면 버려야하는 일차전지(primary battery)는 산화/환원반응이 한 쪽 방향으로만 진행되고, 에너지를 가하더라도 본래 형태로는 돌아오지 못하는 비가역적인 반응을 하는 물질들로 이루어진 전지를 말한다. 여러 번 충방전이 가능한 이차전지(secondary battery)는 산화/환원반응이 일어난 후 전기적인 에너지를 가하면 다시 원래 형태의 물질로 돌아올 수 있는 가역적인 산화/환원반응을 하는 물질들로 전지를 구성한 경우이다.

 

 

화학, 전자공학 등 주변 학문의 급격한 발달 및 주사터널현미경, 분광학 관련 기기 등 새로운 연구방법의 도입 등으로 전기화학은 최근에 급격한 발전을 하게 되었고, 반도체, 전지, 재료, 환경, 에너지, 생명공학 등에의 다양한 응용으로 전기화학적인 방법이 필요한 학문 분야도 급격하게 늘어나게 되었다.

 

이제 전기화학은 전기화학을 전공한 이들만의 전유물이 아니라, 과학 및 기술 전반적으로 누구나 그 개념과 연구방법을 이해하여야 하는 필수적인 분야가 되고 있다. 이에 본 글에서는 이러한 전기화학의 기본적인 개념들에 대하여 상세히 고찰하고자 하는데, 지면 관계상 열역학적이며 고전적인 개념들에 대하여 우선적으로 살펴보도록 할 것이다.

 

 

2. 산화와 환원

어떤 물질이 전자를 잃느냐 얻느냐에 따라 산화(oxidation)와 환원(reduction)으로 구분하여 전자의 이동 방향을 나타내게 된다. 이러한 산화와 환원반응은 물질들 간에 전자를 주고받으면서 동시에 쌍(couple)으로 일어나며, 절대로 혼자 일어나지 않는다. 그래서 산화와 환원이 일어나는 반응을 합하여 산화/환원반응(redox reaction)이라 뭉쳐 부르기도 한다.

 

중고등학교 교과서 및 일반화학 교재에 산화와 환원을 전자의 주고받음, 산소의 주고받음, 혹은 수소의 주고받음 등 3가지 방식으로 설명하는 경우가 많은데, 근본적으로는 산화/환원반응은 전자의 이동 반응이므로, 어느 물질이 전자를 잃는 것을 산화, 전자를 얻은 것을 환원이라 머리 속에 그 정의를 새겨두는 것이 가장 유용하다 하겠다. 실제로 전자의 주고받음으로 산소 혹은 수소의 주고받음을 충분히 설명할 수 있고 이들은 전자이동반응에 포함되는 반응이기 때문이다.

 

또한, 전자전달 반응을 다른 관점에서 설명하는 용어가 있는데, 전자주개(electron donor), 전자받개(electron acceptor) 및 환원제(reducing agent), 산화제(oxidizing agent) 등의 용어이다. 관찰하고 있는 물질의 입장에서 전자를 잃는 경우, 즉 산화반응은 상대방, 즉 다른 물질에게 전자를 주는 것이므로 전자주개(electron donor)라 말할 수 있다. 마찬가지로 전자를 얻은 물질은 환원되었는데, 이는 다른 물질로부터 전자를 받았기 때문에 전자받개라 표현할 수 있다.

 

또 다른 표현 방법은 전자를 잃고 얻는 자체의 관심 대상의 물질에 대한 것보다 짝이 되는 다른 반응에 대한 관심을 가지고 기술하는 것이 환원제(reducing agent), 산화제(oxidizing agent)라 불리는 정의이다. 어느 물질이 산화되면 그 물질은 필연적으로 다른 물질에게 전자를 주어 그 물질을 환원시켰기 때문에 산화된 물질은 환원시킬 수 있는 능력이 있는 환원제라 표현할 수 있다. 마찬가지로 자신이 전자를 받아들이기에 용이한, 즉 환원이 잘 되는 물질은 상대방을 잘 산화시키기 때문에 산화제라 표현하여도 된다.

 

결국, 산화/환원, 전자주개/전자받개, 환원제/산화제는 같은 현상을 어떤 관점, 무엇을 중심으로 바라보느냐에 따라 정의된 용어라 보면 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면 그림 2에서 물질 A가 물질 B에 전자를 주어 A+와 B-가 되었다 하면, A는 산화되었다 말해도 되고, 전자주개로 작용하였다 해도 되고, 환원제 역할을 하였다 표현해도 다 맞는 말인 것이다. 마찬가지로, B는 환원되었고, 전자받개로 작용하였으며, 산화제 역할을 한 것이다.

 

 

 

 

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