화학전지

화학 전지(化學電池, 영어: electrochemical cell)는 화학 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키거나 전기 에너지를 사용하여 화학 반응을 일으키는 장치이다. 전류를 발생시키는 화학전지는 갈바니 전지라고 하며 이를테면 전기 분해를 통해 화학 반응을 일으키는 전지는 전해 전지라고 부른다. 널리 사용되는 갈바니 전지는 표준 1.5 볼트이다.

개요

자발적인 산화-환원 반응을 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 장치. 전지의 구성은 (-)극 | 전해질 용액 | (+)극으로 구성된다. (-)극에서는 산화가, (+)극에서는 환원이 일어난다. 따라서 전자는 (-)극에서 (+)극으로 이동하고 전류는 (+)극에서 (-)극으로 이동한다. 흔히 알려진 전지로는 볼타전지, 다니엘 전지, 2차전지로는 납축전지, 니켈 수소 배터리, 리튬이온 배터리 등이 있다.

발견

18세기는 초기의 전기현상 연구에서 많은 발견과 발명이 이어진 시기였다. 1745년에 무셴브뢰크가 라이든 병을 발명함으로써 정전기현상에 대한 연구가 활발해졌고, 18세기 중엽 프랭클린이 천둥을 전기방전현상으로 설명하였으며, 1780년대에는 쿨롱에 의해 쿨롱의 법칙이 증명되었다.

전지는 1780년에 처음으로 등장했다. 당시 해부학 교수였던 루이지 갈바니(1737~1798)는 해부한 개구리 다리가 금속제의 해부칼에 닿자 경련이 일어나는 것을 관찰했다. 갈바니는 이를 보고 전기가 개구리의 신경 속에 숨겨져 있다고 생각해서 '동물 전기'라고 이름을 붙였다. 하지만 이에 의문을 품은 알렉산드로 볼타(1745-1827)가, 전기는 종류가 다른 두 금속이 접촉하면 일어난다는 사실을 발견했다. 1799년에 금속 쌍을 산성 용액에 담그고, 잠기지 않은 두 끝을 연결하면 회로가 생겨 전기가 계속 흐르는 것을 발견하고, 그 원리를 이용해 최초의 화학전지를 발명했다.

볼타가 주장했듯이 전지에 있어서 주목해야 할 부분은 바로 서로 다른 두 종류의 금속의 접촉이다. 금속은 전자를 내놓고 양이온이 되는 성질을 가진 원소로서 이들이 전자를 내놓으려는 정도는 금속마다 다르다.

볼타가 만든 '전지'는 단발적인 전기 방전을 만드는 데 그치던 당시의 라이든 병과는 달리 전기가 계속적으로 흐르게 하는 장치였다. 그것은 당시 조금씩 생기고 있던 '전류'라는 개념으로 성큼 다가선 것이었다. 전지의 발명에 힘입어 19세기에는 전기에 관한 획기적인 과학적, 기술적 성과들이 쏟아져 나올 수 있었다.

종류

볼타전지

볼타가 최초로 만들어낸 전지와 약간 다른 아연판과 구리판을 묽은 황산에 넣고 도선으로 연결한 전지이다.

자발적인 산화-환원 반응을 이용하여 전기를 발생시키는 실험장치를 갈바니 전지(Galvanic cell) 또는 볼타전지(voltanic cell)라 부른다. 갈바니 전지라고도 한다. 이 이름은 갈바니(Luigi Galavani)와 볼타(Alessandro Volta)가 처음 조립하여 붙여졌다고 한다. 전지구성에서 아연 금속 막대는 ZnSO₄ 용액에 담겨 있고, 구리 막대는 CuSO₄ 용액에 담겨 있다. 각 용기에서 아연은 Zn₂⁺으로 산화되고, Cu₂⁺는 Cu로 환원되는 자발적인 반응이 일어남에 따라 외부 도선을 통해 전자가 이동하는 원리에 의해 전지가 작동한다. 여기에서 아연 막대와 구리 막대를 전극(electrode)이라 부른다. 아연과 구리 전극 그리고 ZnSO₄, CuSO₄으로 이루어진 전지를 다니엘(Daniell)전지라 한다. 이 때, 산화가 일어나는 전극을 산화전극 또는 음극(anode), 환원이 일어나는 전극을 환원전극 또는 양극(cathode)이라한다.

볼타전지에서 일어나는 반응은 다음과 같다.

산화전극(-극): Zn(s) → Zn²+ (aq) + 2e⁻ (Ox)

환원전극(+극): 2H⁺ + (aq) + 2e⁻ → H₂(g)(R)

전체반응: Zn(s) + 2H ⁺ (aq) →Zn²+ (aq) + H₂(g)

볼타 전지에서는 구리 표면에 수소(H₂)기체가 발생해서 구리판에 달라붙어 H⁺ 이온이 전자를 얻어 환원하는 것을 막아 전류를 시간이 지남에 따라 떨어뜨리는 분극 현상을 일으키는 단점이 있었다. 당시 이 현상을 없애기 위해 수소를 산화시키는 물질들을 첨가했는데 이를 감극제, 복극제, 소극제 등으로 부른다. 대표적으로 과산화 수소(H₂O ₂),​ 중크로뮴산 포타슘(K₂Cr₂O₇ ), 이산화 망가니즈(MnO₂ ) 등을 썼다.

참고자료

• 〈화학 전지〉, 《나무위키》
• 〈화학 전지〉, 《위키백과》
• 사이언스올, 〈1799년 볼타전지의 발명〉, 《사이언스타임즈》, 2004-10-28

같이 보기

• 볼타전지
• 납축전지
• 니켈수소 배터리
• 리튬이온 배터리

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