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1. 화학 전지
1.1. 화학 전지의 원리와 이용
화합물은 양전하를 가진 원자핵 주변에 전자가 구름처럼 분포하여 구성되며, 원자나 분자를 둘러싸고 있는 전자는 원자와 분자의 종류에 따라서 쉽게 떨어져 나가서 다른 원자나 분자로 옮겨간다. 이때 전자를 잃어버리는 원자나 분자는 "환원"되었다고 하며, 이러한 산화-환원 반응은 화학의 여러 분야에서 널리 활용되고 있다. 분자들 사이에서 자발적으로 일어나는 산화-환원 반응을 이용하면 금속선을 통하여 전자가 흘러가도록 만들어 전기 에너지를 제공하는 화학 전지를 만들 수 있다.
화학 전지는 산화 반응과 환원 반응을 서로 분리한 두 개의 반쪽 전지를 금속선으로 연결한 형태이다. 전류를 만들어서 전기 에너지원으로 사용하기 위한 화학 전지를 "갈바니 전지"라고 부르며, 이온을 안정화시킬 수 있는 수용액에서 일어나는 반응을 이용한다. 반쪽 전지에는 쉽게 이온화하여 산화 또는 환원될 수 있는 전해질이 들어있으며, 용액의 전하 변화를 상쇄시켜주기 위한 염다리를 사용하기도 한다.
한 쪽 반쪽 전지에서 화합물이 산화되면서 빠져 나온 전자가 전극을 통하여 다른 반쪽 전지로 흘러가서 전극을 통하여 수용액 중의 화합물에 전달되어 환원 반응이 일어난다. 이때 산화 반응이 일어나는 전극을 산화전극, 환원 반응이 일어나는 전극을 환원전극이라고 한다. 전자는 산화전극에서 환원전극 쪽으로 흘러가므로, 전류는 환원전극에서 산화전극 쪽으로 흐른다.
표준 수소 전극의 전위를 0.00 V라고 정의하고, 다른 전극과 표준 수소 전극을 연결한 전지에서 얻은 전위차를 그 전극의 표준 환원 전위라고 한다. 임의의 반쪽 전지 두 개를 연결하여 갈바니 전지를 만드는 경우에 환원 전위가 더 큰 쪽이 환원 반응이 일어나는 환원전극이 되고, 환원 전위가 더 낮은 쪽이 산화 반응이 일어나는 산화전극이 된다. 금속들은 다양한 표준 환원 전위를 가지고 있으며, 이를 토대로 전기화학적 서열을 나타낼 수 있다.
화학 전지는 최대 5 V 정도의 전압을 발생시킬 수 있으나, 실용적인 전지를 만들기 위해서는 전류의 양도 중요하다. 따라서 전극 반응의 안전성, 편리성, 경제성 등을 모두 고려하여 실용적인 화학 전지를 개발해야 한다.
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1.2. 표준 환원 전위와 전기화학적 서열
금속 이온이 환원되려는 경향을 나타내는 것이 표준 환원 전위이다. 표준 환원 전위는 절대적으로 측정할 수 없지만 임의의 두 전극 사이의 전위차를 측정할 수 있다. 표준 수소 전극의 전위를 0.00 V로 정의하고, 다른 전극과의 전위차를 그 전극의 표준 환원 전위라고 한다.
표준 환원 전위가 클수록 금속 이온이 쉽게 환원되며, 작을수록 금속이 이온으로 쉽게 산화된다. 이를 상대적으로 나타낸 것이 전기화학적 서열이다. 전기화학적 서열에서 왼쪽의 금속은 오른쪽의 금속보다 반응성이 크다. 예를 들어 아연은 구리보다 전기화학적 서열에서 왼쪽에 위치하므로 아연은 구리보다 반응성이 크다.
표준 환원 전위가 큰 금속을 산화전위가 작은 금속의 염용액에 담그면, 큰 금속이 전자를 잃어 산화되고 작은 금속이 전자를 얻어 환원되어 석출된다. 반면 작은 금속을 큰 금속의 염용액에 담그면 반응이 일어나지 않는다. 따라서 금속들의 반응성은 표준 환원 전위 값의 크기에 따라 결정된다. 즉, 표준 환원 전위가 클수록 금속은 반응성이 크다. 이러한 금속들의 상대적인 반응성은 전기화학적 서열로 ...
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