[전기화학의 기본개념] 전기화학 셀









Electrochemical cell



전자전달반응은 음전하를 띤 전자의 이동이므로, 이에 따른 전하의 불균형을 맞추기 위해 이온들의 이동이 함께 있게 된다. 그러므로, 두 전극이 담겨져 있는 용액에 적당한 이온이 존재하는 전해질이 있어야 한다.

또, 두 반쪽반응이 섞이지 않고 원활히 일어나도록 염다리, 막 등으로 구분하는 경우도 있다. 그러므로, 전자의 전극을 통한 전달속도보다 이온의 이동속도가 느린 경우에는 이온의 이동이 전체 전극반응 속도를 결정하는 요인이 된다.

전기화학반응이 일어나는 전기화학 셀(electrochemical cell)은 최소한 두 개의 전극이 담겨진 전해질 용액으로 이루어져 있다고 볼 수 있다. 전극은 보통 금속과 같은 도체가 많이 이용되고 있고, 전해질은 수용액, 유기용액, 고분자물질, 용융염 등 이온의 이동이 가능하면 무엇이나 다 이용할 수 있다. 

우리가 일상 사용하는 전지, 혹은 도금을 위한 장치 등이 다 전기화학 셀에 속하는 것이다. 또한, 생체 내에서나 금속표면에서 자발적으로 전기화학반응이 일어나는 곳에는 전기화학 셀이 구성되어 있다 말할 수 있다. 

처음 전기화학 셀을 설명할 때 가장 널리 사용되는 그림 1로 표현되는 다니엘 전지를 예로 들어 조금 더 자세히 설명해 보도록 하겠다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 다니엘 전지는 산화전극으로 아연막대, 환원전극으로 구리막대를 사용하며 전해질로 황산아연용액과 황산구리용액이 두 개의 반쪽반응이 섞이지 않도록 하는 다공성 격막 혹은 염다리로 분리되어, 전자전달 반응에 따른 이온에 이동만 원활하도록 구성되어 있다. 아연이 산화되고, 구리이온이 환원되는 반응은 자발적으로 일어나면 두 전극 사이에서 약 1 V 정도의 전압이 초기에 측정되며 시간이 지남에 따라 점점 감소하게 된다.


그림 1. 다니엘 전지


이와 같은 전지를 간단하게 표시하는 방법이 있는데, 일반적으로 산화가 일어나는 전극을 왼쪽에 환원이 일어나는 전극을 오른쪽에 나타내며 짧은 수선으로 계면을 나타내며 분리막은 두 개의 수선으로 나타낸다. 다니엘 전지의 경우에는 다음과 같이 표시하게 된다. 


Zn(s)|Zn2+, SO42-|| SO42-, Cu2+|Cu(s)


각 이온의 농도는 이온 다음에 괄호 안에 표현하면 된다. 결국 다니엘 전지는 두 개의 반쪽반응인 아연의 산화와 구리이온의 환원이 전극을 통하여 자발적으로 일어나며 화학적인 에너지가 전기적인 에너지로 변환되는 것이다.















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