전해질

3. 역사

4. 형성

전해질 용액은 보통 소금과 같은 용질이 용매에 녹을 때, 용매와 용질 분자 사이의 열역학적 상호 작용으로 인해 개별 성분이 해리되는 "용매화" 과정을 통해 형성된다. 예를 들어, 염화나트륨(NaCl)을 물에 넣으면 다음과 같은 해리 반응에 따라 소금(고체)이 성분 이온으로 용해된다.^[35]

: NaCl_(s) → Na⁺_(aq) + Cl⁻_(aq)

이산화탄소와 같이 물과 반응하여 이온을 생성하는 물질도 전해질이 될 수 있다. 이산화탄소 기체는 물에 용해되어 히드로늄, 탄산염, 수소탄산염 이온을 포함하는 용액을 생성한다.^[15]

용융염도 전해질이 될 수 있다. 예를 들어 염화나트륨이 용융되면 액체가 전기를 전도한다. 특히, 녹는점이 100°C 미만인 용융염인 이온성 액체는 고도로 전도성이 높은 비수계 전해질로, 연료 전지 및 배터리에서 점점 더 많이 활용되고 있다.^[16]

5. 전해질의 종류

전해질은 용매에 용해될 때 이온으로 해리되는 정도에 따라 강전해질과 약전해질로 나뉜다. 또한, 고체 상태에서도 이온 전도성을 가지는 고체 전해질도 존재한다.

• 강전해질: 용매에 용해될 때 대부분 이온으로 해리되는 전해질이다. 염화나트륨(NaCl)과 같은 염, 염산(HCl)과 같은 강산, 수산화나트륨(NaOH)과 같은 강염기가 대표적인 예시이다.^[17] 알칼리 토금속은 물에 대한 용해도가 제한적인 강전해질인 수산화물을 형성한다.
• 약전해질: 용매에 용해될 때 일부만 이온으로 해리되는 전해질이다. 아세트산(CH₃COOH)과 같은 약산, 암모니아(NH₃)와 같은 약염기가 대표적인 예시이다.
• 고체 전해질: 겔 전해질, 세라믹 전해질, 고분자 전해질, 유기 플라스틱 전해질 등이 있다.
• 겔 전해질: 액체 전해질과 유사하게 유연한 결정 구조 내에 액체를 포함하고 있다.
• 세라믹 전해질: 이온이 세라믹 상의 결정 격자 내에서 이동한다.
• 고분자 전해질: 염이 고체 매질에 직접 용해되는 형태이다.
• 유기 이온성 플라스틱 결정: 이동성 이온이 결정 구조 내에서 무질서하게 배열되어 있는 유기 염이다.

6. 생리적 중요성

각 생물 종은 전해질 농도를 엄격하게 조절하는 고유한 메커니즘을 가지고 있다.^[22]

6. 1. 개요

6. 2. 전해질 불균형

6. 3. 전해질 측정

6. 4. 수분 보충

7. 전기화학에서의 전해질

전극을 전해질에 담그고 전압을 가하면 전해질이 전기를 전도한다. 일반적으로 단독 전자는 전해질을 통과할 수 없다. 대신, 음극에서는 전자를 받아들이는 환원 반응이, 양극에서는 전자를 내놓는 산화 반응이 일어난다. 그 결과, 음극 주위에는 음전하 구름이, 양극 주위에는 양전하가 발생한다. 전해질의 이온은 이러한 전하를 중화시켜 전자가 계속 흐르고 반응이 계속될 수 있게 한다.

• 전지: 서로 다른 전자 친화도를 가진 두 가지 물질을 전극으로 사용한다. 전자는 전지 외부에서 한 전극에서 다른 전극으로 흐르고, 전지 내부에서는 전해질의 이온에 의해 회로가 닫힌다. 여기서 전극 반응은 화학 에너지를 전기에너지로 변환한다.^[27]
• 일부 연료 전지: 고체 전해질 또는 양성자 전도체가 수소와 산소 연료 가스를 분리하면서 전극을 전기적으로 연결한다.^[32]
• 전기도금 탱크: 전해질이 도금할 물체에 금속을 동시에 증착하고 회로에서 그 물체를 전기적으로 연결한다.
• 작동 시간 게이지: 두 개의 얇은 수은 기둥이 작은 전해질로 채워진 틈으로 분리되고, 장치를 통해 전하가 통과함에 따라 한쪽에서는 금속이 용해되고 다른 쪽에서는 도금되어 보이는 틈이 천천히 이동한다.
• 전해 콘덴서: 화학적 효과를 사용하여 매우 얇은 유전체 또는 절연체 코팅을 생성하는 반면 전해질 층은 하나의 콘덴서 판 역할을 한다.
• 일부 습도계: 거의 건조한 전해질의 전도도를 측정하여 공기의 습도를 감지한다.
• 가열된 연화된 유리는 전해질 전도체이며 일부 유리 제조업체는 큰 전류를 통과시켜 유리를 용융 상태로 유지한다.
• 나트륨-황 전지에서는 베타 알루미나가 전해질로 사용된다.

8. 전리도

전해질을 용해했을 때, 실제로 이온화되어 있는 물질의 몰분율을 나타낸 것을 '''전리도'''라고 하며, 주로 기호 '''α'''로 나타낸다.^[35]

전리도가 1에 가까운 물질은 '''강전해질''', 작은 물질은 '''약전해질'''이라고 한다. 전해질에는 이온성 화합물과 분자성 화합물이 있다.^[35]

전리도는 농도의 영향을 크게 받는다. 농도가 높아짐에 따라 작아지고, 반대로 무한히 희석하면 1이 된다. 따라서 물성의 지표로서는 다루기 어렵고, pH 계산 등에서는 전리 평형을 고려한 평형상수를 사용하는 경우가 많다.^[35]

또한, 온도 및 압력 의존성도 보인다. 전리에 대한 엔탈피 변화가 음인 경우 온도 상승에 따라 전리도가 감소한다.^[36]

:$\backslash left(\; \{\backslash partial\; \backslash ln\; K\; \backslash over\; \{\backslash partial\; T\}\; \}\; \backslash right)\_\{P\}\; =\; \{\backslash Delta\; H^\backslash circ\; \backslash over\; \{RT^2\}\; \}$

전리에 의해 전하를 띤 이온에 대한 용매화 정도가 증가하고 부피 변화는 음인 경우가 많으므로, 일반적으로 압력 증가에 따라 전리도는 상승한다.^[37]

:$\backslash left(\; \{\backslash partial\; \backslash Delta\; G\; \backslash over\; \{\backslash partial\; P\}\; \}\; \backslash right)\_\{T\}\; =\; \backslash Delta\; V$

참조

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_[2] 서적 Battery technology crash course : a concise introduction http://worldcat.org/[...] Springer 2020-10-29
_[3] 서적 Polymer Electrolytes: Characterization Techniques and Energy Applications https://books.google[...] John Wiley & Sons 2020-02-18
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_[5] 서적 Fluids and Electrolytes https://books.google[...] Lippincott Williams & Wilkins 2007
_[6] 웹사이트 electrolyte https://www.cancer.g[...] 2011-02-02
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_[34] 문서 (1978)
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