[전기화학의 기본개념] 전기 화학이란?









전기 화학(Electrochemistry)



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.


그림 1. 전기화학의 기본 개념: 화학에너지와 전기에너지의 변환


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.















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