전기화학 기본 용어: 표준전극전위, 전지, 전해조

 

전기화학 기본 용어: 표준전극전위, 전지, 전해조

※출처
책 제목: Electrochemical water treatment methods : fundamentals, methods and full scale applications
저자: Mika Sillanpää and Marina Shestakova.
Oxford, England : Butterworth-Heinemann – 2017

<Electrode Potentials; 전극 전위>

전극/용액 사이의 인터페이스 구조(전기적 2중층 구조, electrical double layer theory)와 전극 전위 메커니즘은 H. Helmholtz (1879), L. G. Gouy (1910), O. Stern (1924)에 의해 발전되었다. 전극 전위의 발생은 전극 표면과 용액 간의 입자 교환으로 설명할 수 있다. 아연, 철, 칼슘과 같은 금속 이온이 용액 속으로 주입되면 금속의 자유 이온이 떨어져 나간다. 따라서 전자를 받은 전극이 음전하를 띄게 되고 전위가 생성된다. 반응성이 덜한 구리, 은, 백금 같은 금속을 주입하면 반대의 상황이 벌어진다. 전극은 양전하를 띄게 하고 전해질을 포함한 용액은 음전하를 띄게 된다.

M+ nH2O ⇔ Mm+(H2O)n + me‑

전극 전위 발생의 개략도; (A) 활성 금속 이온, (B) 불활성 금속 이온(출처: Mika Sillanpää et al., 2017)

전극 전위 값은 전극 소재, 용매의 성질, 온도, 수용액 내 이온의 농도에 따라 달라진다. 따라서, 기준전극(reference electrode)의 전위 값과의 비교를 통해 전극 전위를 측정할 수 있다. 일반적으로 안정적이고 0으로 가정(E02H+/H2 = 0 V)하는 표준수소전극(standard hydrogen electrode, SHE)을 사용한다. 이론적인 전극 전위의 값은 아래 Nernst 식으로 정의된다.

Nernst 식

 

이온의 표준전극전위(standard electrode potential)는 표준 상태에서 표준수소전극과의 전위를 비교하여 얻을 수 있다.

 

표준전극전위와 환원 반반응(Half-Reactions)(출처: Mika Sillanpää et al., 2017)

 

 

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<Electrochemical Cells; 전기화학 셀>

전기화학 셀(electrochemical cell)의 기본적인 전기적 요소는 암페어(Amperes, A)를 단위로 사용하는 전류(current)와 볼트(volts, V) 단위를 사용하는 전위(potential)가 있다. 전류는 전극 반응이 일어나는 속도이고 전위는 셀 안에서 일어나는 화학 반응의 에너지로 결정된다. 전위는 줄(joules, J) 단위를 사용하는 에너지를 전기적 전하(coulombs, C)로 나눈 값과 같다(1 V = 1 J/C). 결과적으로 셀의 전위는 셀 안에서 일어나는 반응들로 인해 발생되는 에너지를 측정하는 것이다.

전기화학 셀은 일반적으로 전해질 용액에 주입된 2개의 전극으로 구성되어 있다. 전극은 금속이나 카본의 전도성 물질 또는 드물지만 반도체 물질로 구성되어있다. 전극의 전하 운반체는 전자이고 전해질의 전하 운반체는 이온이다. 예를 들면 NaCl 용액은 Na+와 Cl-가 전하 운반체로 작용한다. 용액이 전기장에 위치하면 Na+는 음전하를 띄는 음극(cathode)으로, Cl-는 양전하를 띄는 양극(anode)으로 이동한다. 자연의 물에서는 K+, Ca2+, Na+, Mg2+, H+, HCO3-, SO42-, Cl-, OH-가 전하 운반체 역할을 한다. 전해질의 종류가 여러 가지인 경우, 이온의 운반을 방해하지 않는 셀 분리장치가 사용된다. 염다리(salt bridge), 이온교환막(ion exchange membrane), porous glass plates가 이러한 역할을 수행할 수 있다.

전기화학 셀은 전지(galvanic, volatic)와 전해조(electrolytic, electrolyzers) 두 종류가 있다. 일부 전지는 배터리 또는 화학적 에너지원의 형태로 연결되어 있다. 반면 전해조는 외부의 전기적 에너지원을 사용한다. 일반적인 전지와 전해조를 아래 그림에 나타내었다. 같은 셀을 이용해 작동 모드에 따라 전지, 전해조로 운영할 수 있다.

 

전지의 구조; 2개의 전자 이동은 1개의 아연 원자를 산화시키고 구리 원자를 환원시킨다(출처: Mika Sillanpää et al., 2017).

전해조의 구조(출처: Mika Sillanpää et al., 2017)

 

 

전지와 전해조의 차이를 아래 표에 정리하였다.

전지(Galvanic Cell)	전해조(Electrolytic Cell)
화학적 에너지를 전기에너지로 전환	전기에너지를 화학에너지로 전환
두 전극에서 환원/산화 반응이 동시에 일어난다.	환원/산화 반응이 동시에 일어나지 않고 외부의 전기에너지가 적용되어야 반응이 시작된다.
산화되는 물질로부터 양극이 전자를 받고 전자가 외부 회로를 통해 음극으로 이동한다.	배터리로부터 음극에 전자가 공급된다.
양극은 음전하를 띄고 음극은 양전하를 띈다.	양극은 양전하를 띄고 음극은 음전하를 띈다.

 

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