전기화학의 기본 원리와 Faraday 공식

 

※출처

책 제목: Electrochemical water treatment methods : fundamentals, methods and full scale applications

저자: Mika Sillanpää and Marina Shestakova.

Oxford, England : Butterworth-Heinemann – 2017

 

< 전기화학적 현상 >

​

전기화학 현상은 외부에서 전류를 흘려주었을 때 일어나거나 또는 전류를 생성시키는 화학적 변환을 의미한다. 따라서 전기화학은 화학적, 전기적 에너지의 상호 변환에 대한 학문이다. 전기화학은 우리 일상의 다양한 분야에서 사용되는데, 특히 금속 표면을 보호하기 위해 도포되는 알루미늄, 티타늄 산화물 필름은 양극 산화(anodization, anodic oxidation)를 통해서 형성된다. 염소산 나트륨, 과황산염, 과망간산 나트륨도 전기분해를 통해 생성된다. 주요 산업 금속인 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 나트륨, 티타늄도 전해추출(electroextraction) 공정으로 얻어진다.

 

양극산화: 전기분해에 있어 양극에서 일어나는 산화반응. 양극에서는 전자가 전해액 중의 화합물에서 전극 내부로 움직이는 방향으로 전류가 흐르므로 그 화합물은 전자를 탈취 당해 산화된다. 이에 대해 음극에서는 음극환원이 일어난다.

[네이버 지식백과] 양극 산화 [anodic oxidation, anodization, 陽極酸化] (화학용어사전, 2011. 1. 15., 화학용어사전편찬회, 윤창주)

 

전기화학 공정에서는 반응물 사이에 전자가 전달되기까지 긴 여정이 소요된다. 전기적 에너지의 생성과 소모는 전자의 같은 방향으로의 흐름인 전류와 연관이있다. 전기화학적 공정에서는 산화제와 환원제가 금속 전도체로 연결된 두 전극의 형태로 분리된다. 반응기 내에서 전류가 지속적으로 흐르기 위해서는 이온 전도도(ionic conductivity)가 높은 전하 운반체(charge carriers)가 꼭 존재해야한다. 따라서, 이러한 전하 운반체, 다른 단어로 전해질과 전극으로 구성된 전기화학 셀(electrochemical cell)이 전기화학 반응을 위해 필요하다.

​

전극에서의 전기분해 반응을 위해 필요한 전위차(potential)를 발생시키고 유지하기 위해서는 외부 전기에너지가 필요하다. Michael Faraday는 전하 Q(electric charge, 전류 I와 시간 t를 곱한 값)와 화학 반응 사이의 관련성을 처음 연구한 과학자이다. 1982년 Faraday는 특정 반응물질을 생성하기 위해 필요한 전기의 양은 전극의 크기, 작업 전극(working electrode)의 수, 전극간의 거리와 무관하다는 사실을 보고했다. 전극에서 발생하는 반응물의 질량 m은 전하 Q, 원소의 당량 무게(equivalent weight, M/z)와 비례한다는 것이 밝혀졌다.

​

k는 반응물질의 전기화학적 당량, 이고 M은 반응물질의 분자량, Faraday 상수는 F = 1 mol x e- = 6.02 x 1023 e- = e x NA = 26.8 A h/mol = 96,485.33289(59) C/mol이다. z는 반응에 참여하는 전자의 수(물질의 이온원자가)이다. Faraday는 친구 William Whewell과 새로운 전기화학적 용어를 발전시켰다. 그는 전극, 전기분해, 전해물질, 음극, 양극과 같은 단어들을 처음 도입했다. 이 때, 양극(anode, 양전하 전극)로 이동하는 이온을 음이온(anions), 음극(cathode, 음전하 전극)로 이동하는 이온을 양이온(cations)이라고 부르게 되었다. 일부 콜로이드 물질과 부유 물질도 전하의 이동에 기여할 수 있지만 낮은 이동성으로 기여 정도가 작고 불확실하다.

​

전기화학적 당량(electrochemical equivalent)은 양극, 음극에서 반응하는 물질의 양을 계산하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 양극에서 용출되는 금속, 음극에서 발생하는 가스의 양, 전기적 산화 반응에서 생성된 반응물의 양을 계산할 수 있게 한다. 전기화학적 당량 값은 같은 물질이라도 전기화학적 공정에 따라 달라질 수 있다. Faraday 법칙의 편차는 산소 발생, 과수(H2O2) 발생, 반응물 재조합 반응 등 설계하지 않은 반응들에 의해 생긴다. 따라서, 실제 얻거나/소모된 생성물의 양(charge/electrons)과 이론적인 생성물의 양(charge/electrons)의 비율을 Faraday 법칙에 따라 계산해야한다. 전류 효율(current efficiency, CE; faradaic or coulombic efficiency) 식은 다음과 같다.

 

 

전기적 산화 공정에서의 전류 효율은 화학적 산소요구량(chemical oxygen demand, COD)이 감소된 양을 이용해 계산할 수 있다.

 

 

 

△ COD는 감소된 COD의 양, 숫자 8은 산소의 당량값(q equiv-1)이다.

 

 

2021.08.16 - [전기화학] - 전기화학 전극 물질(불활성 금속/활성 금속)

전기화학 전극 물질(불활성 금속/활성 금속)

2021.08.16 - [전기화학] - 전기화학 기본 용어: 표준전극전위, 전지, 전해조

전기화학 기본 용어: 표준전극전위, 전지, 전해조

 

2021.08.16 - [전기화학] - 수처리기술의 개요

수처리기술의 개요

2021.08.16 - [전기화학] - 전기화학적 수처리 방법의 분류

전기화학적 수처리 방법의 분류