전기화학
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1. 개요
전기화학은 화학 에너지와 전기 에너지 사이의 상호 변환을 연구하는 학문 분야이다. 1781년 루이지 갈바니의 동물전기 발견에서 시작되어, 알레산드로 볼타의 볼타 전지 발명, 마이클 패러데이의 전기분해 법칙 발견 등을 거치며 발전했다. 19세기 말 열역학의 발전과 네른스트 식의 발표는 전기화학을 일반 화학 반응과 동등하게 취급할 수 있게 했다. 전기화학은 산화 환원 반응, 전해질 용액, 전극 반응, 계면 현상 등을 다루며, 전위차 적정, 볼탐메트리, 교류 임피던스법 등의 측정 방법을 활용한다. 전지, 부식 방지, 도금, 제련, 전자공학, 센서 등 다양한 분야에 응용되며, 특히 배터리 기술, 전기분해, 부식과 방식, 센서, 광전기화학 등에서 중요한 역할을 한다.
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| 전기화학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 학문 분야 | 물리학, 화학 |
| 연구 대상 | 전기 현상과 화학 현상 간의 상호 관계 |
| 관련 학문 | 물리화학 분석화학 재료과학 공업화학 |
| 상세 내용 | |
| 주요 내용 | 전기화학 반응, 전극, 전해질, 전기화학 전지, 전기 도금, 전기 분해, 부식, 연료 전지, 센서 |
| 응용 분야 | 배터리 전해 부식 방지 전기 도금 전기화학 센서 전기화학 에너지 변환 |
| 역사 | |
| 주요 인물 | 루이지 갈바니 알레산드로 볼타 마이클 패러데이 스반테 아우구스트 아레니우스 발터 네른스트 마르셀 푸르보 |
| 추가 정보 | |
| 관련 용어 | 이온 전극 전위 과전압 확산 전기 전도도 |
2. 역사
1781년 루이지 갈바니가 동물전기를 발견하면서 전기화학의 역사가 시작되었다.[6] 전기 자체는 그 전부터 알려져 있었지만, 전기가 화학 반응과 관련되어 있다는 것을 보여준 것은 갈바니의 발견이었다. 갈바니는 전기가 개구리의 근육에 저장되어 있다가 금속과 접촉하면서 흐른다고 생각했다.
알렉산드로 볼타는 이온화 경향이 다른 두 전극과 전해질로 이루어진 전지에서 전기가 발생한다는 것을 증명하였다. 1799년 볼타는 볼타 전지를 발명하였다.[6][7] 1801년에는 윌리엄 니콜슨과 앤서니 캘러일이 물의 전기분해를 발견하였다.
이후 전기화학 반응이 전극의 산화·환원 경향과 전해질에 관련되어 있다는 것이 밝혀졌고, 많은 전지가 개발되었다. 마이클 패러데이는 패러데이의 전기분해 법칙을 발견하여 물질량과 전기량이 밀접한 관계를 가진다는 것을 밝혀냈다.[9]
19세기 말 열역학 발전이 전기화학에 큰 영향을 주었다. 네른스트 식이 발표되면서 전기화학 반응은 일반적인 화학 반응과 함께 다룰 수 있게 되었다. 전위가 기브스 자유 에너지를 전기량으로 나눈 것임을 보인 이 식은 전위차가 전기화학 반응의 원동력이며, 전위차가 없으면 전기화학 반응이 일어나지 않는다는 사실의 이론적 기초가 되었다.[16]
2. 1. 16-18세기: 전기 현상의 발견과 초기 연구
16세기부터 전기에 대한 이해가 시작되었다. 이 시기에 영국의 과학자 윌리엄 길버트는 17년 동안 자기 현상과 전기에 대한 실험을 수행했다. 자석에 대한 그의 연구로 길버트는 "자기학의 아버지"로 알려지게 되었다.[2]1663년, 독일의 물리학자 오토 폰 게리케는 마찰을 이용하여 정전기를 발생시키는 최초의 전기 발전기를 만들었다. 이 발전기는 유리 구체 내부에 주조된 큰 황 공으로 만들어졌고, 축에 장착되었다. 크랭크를 이용하여 공을 회전시켰고, 회전하는 공에 패드를 문지를 때 전기 스파크가 발생했다. 이 구체는 탈착하여 전기 실험의 전원으로 사용할 수 있었다.[3]
18세기 중반까지 프랑스의 화학자 샤를 프랑수아 드 시스테르나이 뒤페는 두 종류의 정전기를 발견하고, 같은 전하끼리는 서로 밀어내고 다른 전하끼리는 서로 끌어당긴다는 사실을 밝혀냈다. 뒤페는 전기가 두 가지 유체로 구성되어 있다고 발표했다. 하나는 유리(라틴어로 "유리"를 의미함)에서 나오는 양전기, 다른 하나는 수지에서 나오는 음전기였다. 이것은 전기의 '이중 유체 이론'이었는데, 이후 같은 세기에 벤저민 프랭클린의 '단일 유체 이론'에 의해 반박되었다.[4]
1785년, 샤를 오귀스탱 드 쿨롱은 영국의 조지프 프리스틀리가 언급한 전기 반발 법칙을 조사하려는 시도의 결과로 정전기적 인력 법칙을 개발했다.[5]
18세기 후반, 이탈리아의 의사이자 해부학자인 루이지 갈바니는 그의 논문 "De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius"(라틴어로 근육 운동에 대한 전기의 효과에 대한 논평)에서 화학 반응과 전기 사이의 연결고리를 확립함으로써 전기화학의 탄생을 알렸다. 그는 생물체에 "신경-전기 물질"이 존재한다고 제안했다.[6]
갈바니는 그의 논문에서 동물 조직에는 그때까지 알려지지 않았던 고유한 생명력이 포함되어 있으며, 그는 이것을 "동물 전기"라고 불렀는데, 이것이 금속 탐침으로 연결된 신경과 근육을 활성화시킨다고 결론지었다. 그는 이 새로운 힘이 번개나 전기뱀장어와 전기가오리에 의해 생성되는 "자연적인" 형태뿐만 아니라 마찰(즉, 정전기)에 의해 생성되는 "인공적인" 형태 외에 전기의 한 형태라고 믿었다.[7]
갈바니의 과학 동료들은 일반적으로 그의 견해를 받아들였지만, 알레산드로 볼타는 "동물 전기 유체"라는 개념을 거부하고, 개구리 다리가 금속의 성질, 구성, 크기의 차이에 반응한다고 반박했다.[6][7] 갈바니는 같은 재료의 두 조각으로 근육의 움직임을 얻음으로써 이를 반박했다. 그럼에도 불구하고 볼타의 실험은 그가 최초의 실용적인 전지를 개발하게 했는데, 이 전지는 아연의 상대적으로 높은 에너지(약한 결합)를 이용했으며 당시 알려진 어떤 장치보다 훨씬 더 오랫동안 전류를 공급할 수 있었다.
2. 2. 19세기: 전기화학의 발전과 법칙 정립
1800년 윌리엄 니콜슨과 요한 빌헬름 리터는 볼타 전지를 이용하여 물을 전기분해하여 수소와 산소로 분해하는 데 성공했다.[12] 리터는 전기도금 공정을 발견하고, 전기분해 과정에서 석출되는 금속의 양과 생성되는 산소의 양이 전극 간 거리에 따라 달라짐을 관찰했다.[12] 1801년에는 열전류를 관찰하고 토마스 요한 제베크의 열전현상 발견을 예측했다.[8]1810년대 윌리엄 하이드 웰러스턴은 갈바니 전지를 개선했다. 험프리 데이비는 전기분해 연구를 통해 전해 전지에서 전기 생성이 화학 작용의 결과이며, 서로 다른 전하를 띤 물질 사이에 화학 결합이 일어난다는 결론을 내렸다. 이 연구는 1808년 용융된 염의 전기분해를 통한 나트륨, 칼륨 및 알칼리 토금속 분리로 이어졌다.[9]
1820년 한스 크리스티안 외르스테드가 전류의 자기적 효과를 발견하자, 앙드레 마리 앙페르는 외르스테드의 실험을 수학적으로 공식화했다.[10]
1821년 토마스 요한 제베크는 두 금속의 접합점 사이에 온도 차이가 있을 때 전기적 전위차가 발생함을 보여주었다.[11]
1827년 게오르크 옴은 ''"Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet"''(수학적으로 연구된 갈바니 회로)에서 옴의 법칙을 제시하고 전기에 대한 완전한 이론을 제시했다.[11]
1832년 마이클 패러데이는 실험을 통해 전기화학의 두 가지 법칙 (패러데이의 전기분해 법칙)을 발표했다. 1836년 존 대니얼은 분극 문제를 해결하고 수소 가스 발생을 제거하는 1차 전지를 발명했다. 이후 아말감 처리된 아연이 더 높은 전압을 생성한다는 사실이 밝혀졌다.
1839년 윌리엄 그로브는 최초의 연료 전지를 만들었다. 1846년 빌헬름 베버는 전기역학계를 개발했다. 1868년 조르주 르클랑셰는 아연-탄소 전지의 전신이 되는 새로운 전지를 특허받았다.[12]
스반테 아레니우스는 1884년 ''Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes''(전해질의 갈바니 전도도에 대한 연구)를 발표, 전해질이 물에 용해되면 양이온과 음이온으로 분리 또는 해리된다는 결론을 내렸다.[13]
1886년 폴 에루와 찰스 M. 홀은 알루미늄을 얻는 효율적인 방법(홀-에루 공정)을 개발했다.[14]
1894년 프리드리히 오스트발트는 전도도와 유기산의 전해질 해리에 대한 연구를 마무리했다.[15]
발터 헤르만 네른스트는 1888년 볼타 전지의 기전력 이론을 개발했다. 1889년 그는 생성된 전압의 특성을 사용하여 화학 반응에서 자유 에너지 변화를 계산하는 방법을 제시하고, 네른스트 방정식으로 알려진 방정식을 구성했다.[16]
1898년 프리츠 하버는 음극 전위가 일정하면 전기분해 과정에서 명확한 환원 생성물이 생성될 수 있음을 보였다. 그는 음극에서 니트로벤젠의 단계별 환원을 설명했고, 이는 다른 유사 환원 과정의 모델이 되었다.[17]
2. 3. 20세기 이후: 현대 전기화학의 발전과 응용
20세기 초, 로버트 앤드루스 밀리컨은 기름방울 실험을 통해 전자의 전하량을 측정했다. 요하네스 니콜라우스 브뢴스테드와 마틴 로리는 산-염기 이론을 발표했다. 아르네 티셀리우스는 전기영동 장치를 개발하여 단백질 연구에 기여했다. 1949년, 국제전기화학회(ISE)가 설립되었다. 20세기 후반, 양자 전기화학이 발전했다. 21세기에는 나노기술, 생명공학 등 다양한 분야와의 융합을 통해 더욱 발전하고 있다.3. 이론
산화환원 반응은 분자나 이온이 전자를 주고받는 전기화학적 과정으로, 산화수의 변화를 일으킨다. 이 반응은 외부 전압을 가하거나 화학 에너지를 방출함으로써 일어날 수 있다. 산화와 환원은 항상 짝을 이루어 일어나는데, 전자를 잃는 것을 산화, 얻는 것을 환원이라고 한다. ''"OIL RIG"''(Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain: 산화는 손실, 환원은 획득) 또는 ''"LEO"'' the lion says ''"GER"''(Lose Electrons: Oxidation, Gain Electrons: Reduction: 전자를 잃으면 산화, 전자를 얻으면 환원)과 같은 기억술을 사용하여 쉽게 기억할 수 있다.
환원제는 전자를 잃는 물질이고, 산화제는 전자를 얻는 물질이다. 산소는 일반적인 산화제이지만, 플루오린과 같이 산소보다 강력한 산화제도 존재한다.
전기화학 이론은 전해질 용액의 성질, 전극 반응 속도, 계면에서의 전기화학적 현상 등을 다룬다. 1929년 에드워드 구겐하임이 제안한 전기화학적 포텐셜이 이론적 기초가 된다.
3. 1. 전해질 용액론
전해질 용액 연구는 1883년 아레니우스의 전리설에서 시작하여, 콜라우슈의 법칙, 오스트발트의 Ostwaldsches Verdünnungsgesetz|오스트발트 희석 법칙de, 데바이-휘켈 이론, 온사거의 이론 등을 바탕으로 용액의 전기 전도도에 대해 논한다. 용액 화학과 관련이 강하다.[1]3. 2. 전극 반응론
전극 표면에서의 반응은 전극으로부터 물질로의 전자 이동 과정과 반응에 관여하는 물질의 확산 과정으로 나누어 생각할 수 있다. 전자 이동 과정의 반응 속도 이론은 1889년에 발표된 아레니우스 식과 네른스트 식을 출발점으로 하는 버틀러-볼머 식을 기본으로 하여, 그 발전 계열인 타펠 식과 마커스 이론에 의해 논의된다. 확산 과정은 픽의 법칙으로 다루어진다.3. 3. 계면 현상
전기화학에서는 전극과 용액의 계면 또는 용액 상호 간의 계면 등에서의 계면 화학 현상을 다룬다. 전극과 용액의 계면에는 전하 분리가 일어나 전기 이중층이 형성된다. 용액 간의 계면에는 이온 이동도의 차이에 기인하는 액간 전위가 발생하며, 헨더슨-하셀바흐 식 등에 의해 정량적으로 다루어진다.4. 전기화학 측정
화학 물질의 성질을 전기적으로 측정하는 방법을 전기화학적 측정이라고 하며, 화학 물질의 농도나 종류, 전극상에서의 산화환원 반응의 상세한 메커니즘 등에 대한 정보를 얻을 수 있다. 전극 전위를 제어하는 포텐시오스타트(Potentiostat)나 전류를 제어하는 갈바노스타트(Galvanostat)가 사용된다.
대표적인 측정 방법으로는 볼탐메트리, 크로노암페로메트리, 크로노쿠로메트리, 교류 임피던스법 등이 있다.
4. 1. 전위차 적정 (포텐시오메트리)
용액의 전극전위를 측정하는 방법은 전위차 적정(포텐시오메트리)이며, 유리 전극의 전극 전위로부터 수소 이온 농도(pH)를 측정하는 pH 미터 등 다양한 센서에 응용되고 있다.4. 2. 볼탐메트리
포텐시오스타트(Potentiostat)나 갈바노스타트(Galvanostat)를 사용하여 전압 변화에 대한 전류 응답을 측정하여 전극 반응의 메커니즘을 연구하는 방법이다.4. 3. 크로노암페로메트리 및 크로노쿠로메트리
크로노암페로메트리는 일정 전압에서 전류의 시간 변화를 측정하는 방법이다.[1] 크로노쿠로메트리와 함께 전극 반응 속도를 분석하는 데 사용된다.[1]4. 4. 교류 임피던스법
교류 전원의 주파수 변화에 대한 임피던스를 측정하여 전극 계면의 특성을 분석한다.5. 응용
전기화학은 에너지, 환경, 재료, 전자 등 다양한 분야에서 활용되며 현대 사회의 발전에 기여하고 있다.
- 전지: 볼타 전지의 발명으로 시작된 전기화학은 전지 연구의 주요 분야이다. 일차 전지, 이차 전지, 연료 전지, 태양 전지 등 다양한 전지 개발에 응용된다.
- 부식과 방식: 부식은 금속 표면에서 자발적으로 일어나는 산화환원 반응으로, 전기화학적 원리를 이용하여 부식을 방지한다.
- 도금: 도금은 전기화학적으로 금속을 석출시키는 기술로, 산업적으로 널리 활용된다.
- 제련: 알루미늄, 구리 등 금속은 전기분해를 이용한 전해 제련으로 생산된다.
- 전자공학: 전해 콘덴서, 액정 디스플레이, 유기 EL 소자, 센서 등 전자 부품 및 장치 작동에 전기화학적 현상이 활용된다.
- 센서: 전기화학 센서는 화학 물질의 농도를 전기적 신호로 변환하는 장치로, 환경 감시, 식품 분석, 의료 진단 등 다양한 분야에 응용된다.
- 광전기화학: 빛 에너지를 이용하여 전기화학 반응을 일으키는 기술로, 광촉매, 색소감응 태양전지 등에 활용된다.
5. 1. 전지 (배터리)
전기화학 전지는 자발적인 산화환원 반응을 통해 에너지를 방출하여 전류를 생성하는 장치이다. 루이지 갈바니와 알레산드로 볼타의 이름을 따서 명명된 갈바니 전지 또는 볼타 전지가 여기에 포함된다.전기화학 전지는 두 개의 도전성 전극(양극과 음극)을 가지는데, 양극은 산화가 일어나는 전극, 음극은 환원이 일어나는 전극이다. 전극 사이에는 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 전해질이 있다. 갈바니 전지는 두 개의 다른 금속 전극을 사용하며, 각 전극은 해당 금속 이온을 포함하는 전해질에 담겨 있다.
다니엘 전지는 아연과 구리 전극을 사용하는 갈바니 전지의 한 예이다.[24] 다니엘 전지에서 일어나는 반응은 다음과 같다.[24]
- 아연 전극(양극): Zn → Zn2+ + 2 e−
- 구리 전극(음극): Cu2+ + 2 e− → Cu
이 전지는 외부 연결을 통해 양극에서 음극으로 전류가 흐르도록 하여 간단한 배터리를 형성한다.
전기화학 전지의 작동 중에는 화학 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 0 전류에서의 전지 기전력은 최대 가능한 기전력이며, 이는 화학 반응에서 얻을 수 있는 최대 전기 에너지를 계산하는 데 사용될 수 있다.
자유 에너지를 사용하여 표현하면 다음과 같다.
:
양의 전지 전위는 깁스 자유 에너지의 음의 변화를 나타낸다. 자발적인 전기화학 반응은 전기화학 전지에서 전류를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 이것이 모든 배터리와 연료 전지의 기본 원리이다.[25]
여러 종류의 전지가 상용화되어 전기화학의 중요한 실용적 응용 사례를 보여준다.[27] 초기 습식 전지는 전신과 전화 시스템에 전력을 공급했으며, 전기도금의 전류원이었다. 아연-이산화망간 건전지는 휴대용으로 누액이 발생하지 않는 최초의 전지였다. 수은 전지는 초기 전자 장치에 높은 전력과 용량을 제공했지만, 수은 오염의 위험으로 인해 사용이 줄었다.
납축전지는 외부 소스에서 용량을 보충할 수 있는 최초의 실용적인 이차(충전식) 전지였다. 납축전지는 자동차에 널리 사용된다. 충전식 리튬 이온 전지는 많은 모바일 장치의 필수 부품이다.
흐름 전지는 반응물을 외부 저장소에서 보충할 수 있어 더 큰 에너지 용량을 제공한다. 연료 전지는 탄화수소 가스 또는 수소와 산소에 결합된 화학 에너지를 전기에너지로 직접 변환할 수 있다.
전기화학은 볼타 전지의 발명으로 발전한 학문이며, 오늘날에도 전지 연구는 전기화학의 주류를 이룬다. 일차 전지와 이차 전지 외에도 연료 전지와 태양 전지 등 전기·광·화학 에너지 간의 상호 변환도 전기화학에서 다루는 분야이다.
5. 2. 전기분해
전기분해(Electrolysis, 電氣分解)는 전기에너지를 가하여 산화/환원 반응을 강제로 일으켜 물질을 분해하는 것이다. 물을 분해하여 수소와 산소로 나누는 물분해가 대표적이며, 황산구리의 구리환원반응 등도 전기분해 반응의 예시이다. 물분해는 수소와 산소를 분해할 때 효율적인 촉매 연구가 주된 부분이며, 일반적인 전기분해와 광촉매를 사용하는 광전기분해 두 가지 영역으로 구분된다. 촉매 연구는 고가의 고성능 촉매 효율 극대화와 저가 촉매의 최대 성능을 달성하는 두 가지 방향으로 진행되고 있다. 물분해로 수소를 생성할 때 저가 촉매에서는 몰리브덴, 고가 촉매에서는 백금이 가장 좋은 성능을 나타내며, 산소 생성 시 고가 촉매의 경우 귀금속 (백금, 로듐, 루테늄, 팔라듐, 이리듐 등의 백금족 원소)가, 저가 촉매의 경우 코발트, 니켈이 효율적이다.[28]일반적인 배터리는 전해질 내 음극과 양극의 서로 다른 환원 전위를 통해 전기를 생산하는 반면, 전기 분해는 전기에너지원을 통해 화학 반응을 유도하며, 이 과정은 전해 전지에서 일어난다.
염화나트륨을 용융 상태에서 전기분해하면 금속 나트륨과 기체 염소를 얻을 수 있다. 이 과정은 다운스 전지(Downs cell)라는 특수한 전지에서 일어나며, 전원에 연결되어 전자가 전원에서 전해 전지로 이동한다.[28]
다운스 전지에서 일어나는 반응은 다음과 같다.[28]
- 양극(산화): 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
- 음극(환원): 2 Na⁺ + 2 e⁻ → 2 Na
- 전체 반응: 2 Na⁺ + 2 Cl⁻ → 2 Na + Cl₂
이 과정은 광석 처리 및 야금 산업에서 널리 사용되며, 약 -4 V의 기전력을 가진다. 반응이 일어나려면 최소 4V의 전위차가 필요하며, 빠른 속도를 위해서는 더 높은 전압이 필요하다.
물은 외부 전압을 가하면 H2와 O2로 전환될 수 있다. 물은 표준 조건에서 깁스 자유 에너지 변화가 약 474.4kJ로 매우 커 자발적으로 분해되지 않지만, 전해 전지에서 분해가 가능하다. 전해 전지에서 백금으로 만들어진 한 쌍의 비활성 전극이 양극과 음극 역할을 하며, 전극 사이에 외부 전압을 가하면 전해가 시작된다. 염화나트륨이나 황산과 같은 전해질이 없으면 매우 높은 전압에서만 이 과정이 일어난다.[29]
두 전극 근처에서 기체 기포가 관찰되며, 다음 반쪽 반응이 일어난다.[29]
- 양극(산화): 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e−
- 음극(환원): 2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−
- 전체 반응: 2 H2O → 2 H2 + O2
백금은 수소와 산소 형성을 촉진하여 상대적으로 낮은 전압(~2V, pH에 따라 다름)을 허용한다.[29]
수용액의 전기분해는 물의 전기분해와 유사하지만, 용액 내 성분의 환원/산화 여부를 반쪽 반응으로 분석해야 하므로 복잡하다.
염화나트륨 수용액의 전기분해에서 물은 양극과 음극 모두에서 환원 및 산화 반응과 관련하여 고려해야 한다. 물은 전기분해되어 양극에서는 산소 기체가, 음극에서는 수소 기체가 생성된다. 염화나트륨은 Na+와 Cl− 이온으로 해리되며, 나트륨 이온은 음극에서 환원되고, 염화물 음이온은 양극에서 산화되어 염소 기체가 된다.[30]
이 과정에서 다음과 같은 반쪽 반응을 고려해야 한다.[30]
- 음극: Na+ + e− → Na''E''°red = –2.71 V
- 양극: 2 Cl− → Cl2 + 2 e−''E''°red = +1.36 V
- 음극: 2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−''E''°red = –0.83 V
- 양극: 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e−''E''°red = +1.23 V
반응 1은 표준 환원 전위에서 가장 음의 값을 가지므로 제외된다.
반응 2와 4의 환원 전위를 비교하면 염화 이온의 산화가 유리하여 양극에서는 산소 기체가 아닌 염소 기체가 생성된다.
과전압 효과로 인해 예측된 전압을 초과하는 추가 전압이 필요할 수 있다. 이는 속도론적 고려 사항 때문이며, 염화 이온의 활성화 에너지가 매우 낮아 속도론적으로 유리하다. 적용된 전압이 열역학적으로 충분하더라도 반응 속도가 느리면 외부 전원의 전압을 높여야 한다(과전압).[30]
이 과정의 전체 반응은 다음과 같다.[30]
- 양극 (산화): 2 Cl− → Cl2 + 2 e−
- 음극 (환원): 2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−
- 전체 반응: 2 H2O + 2 Cl− → H2 + Cl2 + 2 OH−
전체 반응에서 염화 이온의 농도는 OH− 이온의 농도에 비해 감소하며, 수소 기체, 염소 기체 및 수산화나트륨 수용액이 생성된다.
전기 분해의 정량적 측면은 1834년 마이클 패러데이에 의해 개발되었다. 패러데이는 '전해질', 전기 분해 등 많은 용어를 만들었으며, 에너지 보존 법칙의 지지자였다.
패러데이는 비자발적 과정에서 전류에 대한 실험을 통해 전극에서 생성된 생성물의 질량이 전지에 공급된 전류의 값, 전류가 흐른 시간, 물질의 몰 질량에 비례한다는 결론을 내렸다. 즉, 전해 전지의 각 전극에 석출되는 물질의 양은 전지를 통과하는 전하량에 정비례한다.[31]
패러데이 제1 법칙의 간략화된 식은 다음과 같다.
:
여기서
- ''m''은 전극에서 생성된 물질의 질량(그램)
- ''Q''는 용액을 통과한 총 전하량(쿨롱)
- ''n''은 용액 내 이온으로서의 물질의 원자가(이온 당 전자 수)
- ''M''은 물질의 몰 질량(몰 당 그램)
- ''F''는 패러데이 상수(96485 쿨롱/몰)이다.
패러데이는 1857년 용액에서 금속의 화학적 전착 법칙을 고안했다. 그는 전기분해의 두 번째 법칙을 "일반적인 화학 작용에서 서로 등가인 물질의 양에는 동일한 양의 전기가 자연적으로 관련되어 있다."라고 공식화했다. 즉, 주어진 양의 전기로 석출되는 여러 원소의 양은 그들의 화학적 당량의 비율에 있다.[32]
전기분해의 두 번째 법칙의 중요한 측면은 전기도금이며, 전기분해의 첫 번째 법칙과 함께 금속을 보호적으로 코팅하여 부식을 방지하는 데 사용되는 등 산업에서 활용된다.
5. 3. 부식과 방식
부식은 철, 구리와 같은 금속 및 그 합금인 강철, 황동에서 녹이나 광택 저하로 나타나는 전기화학적 과정이다.[1] 철이 녹스는 데에는 금속이 산소와 물과 접촉해야 한다.[1] 이 과정의 화학 반응은 비교적 복잡하며, 모든 반응이 완전히 이해된 것은 아니다.[1] 원인은 다음과 같이 여겨진다.[1]::Fe → Fe2+ + 2 e−
::O2 + 4 H+ + 4 e− → 2 H2O
::2 Fe + O2 + 4 H+ → 2 Fe2+ + 2 H2O
::''E''° = ''E''° (음극) − ''E''° (양극)
::''E''° = 1.23V − (−0.44 V) = 1.67 V
철 부식은 산성 매질에서 발생한다.[1] H+ 이온은 대기 중의 이산화탄소와 물의 반응으로 생성되는 탄산에서 나온다.[1] Fe2+ 이온은 다음 방정식에 따라 더욱 산화된다.[1]
: 4 Fe2+ + O2 + (4+2) H2O → 2 Fe2O3·H2O + 8 H+
산화철(III) 수화물은 녹으로 알려져 있다.[1] 산화철과 관련된 물의 농도는 다양하므로 화학식은 Fe2O3·H2O로 표현된다.[1]
전자와 이온의 이동으로 전기 회로가 형성된다.[1] 따라서 전해질이 존재하면 산화를 촉진하여 소금물에서 녹이 더 빨리 생기는 이유를 설명한다.[1]
귀금속인 구리와 은은 사용하면서 서서히 부식된다.[1] 구리 표면에는 공기 중의 물과 이산화탄소에 노출되면 녹청(녹색-청색의 탄산구리)이 형성된다.[1] 계란이나 공기 중의 저농도 황 화합물과 같은 황 함량이 높은 음식에 노출된 은화폐나 식기에는 검은색의 황화은 층이 생긴다.[1]
금과 백금은 정상적인 환경에서는 산화되기가 매우 어렵고, 왕수와 같은 강력한 화학적 산화제에 노출되어야 한다.[1]
일부 일반 금속은 공기 중에서 매우 빠르게 산화된다.[1] 티타늄과 알루미늄은 공기 중의 산소와 접촉하면 즉시 산화된다.[1] 이러한 금속은 표면에 매우 얇은 산화 금속층을 형성하는데, 이는 기저 금속과 결합한다.[1] 이 얇은 산화물 층은 기저 금속의 대부분을 공기로부터 보호하여 금속 전체가 산화되는 것을 방지한다.[1] 이러한 금속은 내식성이 중요한 용도에 사용된다.[1] 반면에 철은 공기와 물에서 형성되는 산화물인 녹이 철과 결합하지 않기 때문에 철의 추가적인 산화를 막지 못한다.[1] 따라서 공기와 물에 노출된 철은 모든 철이 산화될 때까지 계속 녹이 슬 것이다.[1]
금속이 양극이 되는 것을 막으려는 시도는 크게 두 가지 유형이 있다.[1] 양극 영역은 용해되어 금속의 구조적 무결성을 파괴한다.[1]
양극/음극 형성을 완전히 막는 것은 거의 불가능하지만, 비전도성 물질이 금속을 덮고 있다면 전해질과의 접촉이 불가능하여 부식이 발생하지 않는다.[1]
금속은 페인트나 다른 저전도성 금속으로 코팅될 수 있다 (''부동태화'').[1] 이것은 금속 표면이 전해질에 노출되는 것을 방지한다.[1] 금속 기판을 드러내는 긁힘은 부식을 초래한다.[1] 코팅 아래 긁힘에 인접한 영역은 반응의 양극으로 작용한다.[1]
구조용 금속을 보호하는 데 일반적으로 사용되는 방법은 보호할 금속보다 더 양극성인 금속을 부착하는 것이다.[1] 이렇게 하면 구조용 금속이 음극이 되어 부식을 방지한다.[1] 양극이 용해되고 주기적으로 교체해야 하므로 ''"희생 양극"''이라고 한다.[1]
아연 막대는 강철 선박 선체의 여러 위치에 부착되어 선체를 음극으로 만든다.[1] 아연 막대는 주기적으로 교체된다.[1] 마그네슘과 같은 다른 금속도 매우 잘 작동하지만 아연이 가장 저렴한 유용한 금속이다.[1]
파이프라인을 보호하기 위해 매설되거나 노출된 마그네슘(또는 아연)괴를 파이프라인 옆에 매설하고 지상의 파이프에 전기적으로 연결한다.[1] 파이프라인은 음극이 되도록 강제되어 산화 및 부식으로부터 보호된다.[1] 마그네슘 양극이 희생된다.[1] 일정한 간격으로 용해된 것을 대체하기 위해 새로운 괴를 매설한다.[1]
5. 4. 도금
도금은 전기화학적으로 금속을 석출시키는 기술이다.[33] 패러데이는 1857년 용액에서 금속의 화학적 전착 법칙을 고안했다. 그는 전기분해의 두 번째 법칙을 다음과 같이 공식화했다. "일반적인 화학 작용에서 서로 등가인 물질의 양에는 동일한 양의 전기가 자연적으로 관련되어 있다." 즉, 주어진 양의 전기로 석출되는 여러 원소의 양은 그들의 화학적 당량의 비율에 있다는 것이다.[32]전기도금은 전기분해의 첫 번째 법칙과 함께 산업에서 여러 응용 분야를 가진다. 예를 들어, 금속을 보호적으로 코팅하여 부식을 방지하는 데 사용된다.[33]
5. 5. 센서
전기화학 센서는 화학 물질의 농도나 활성도를 전기적 신호로 변환하는 장치이다. 전기화학은 자연과 산업에서 매우 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 전착을 통해 금속 또는 금속 산화물로 물체를 코팅하거나, 물체 표면에서 금속의 얇은 층을 추가(전기도금) 또는 제거(전해연마)하는 과정이 있다.[33] 에탄올의 산화환원 반응을 통해 음주 운전자의 알코올을 검출하는 것도 전기화학적 과정이다. 광합성을 통한 화학 에너지 생성, 알루미늄이나 티타늄과 같은 금속을 광석에서 생산하는 과정 역시 전기화학적 과정이다. 특정 당뇨병 혈당 측정기는 혈액 속 포도당의 산화환원 전위를 통해 포도당의 양을 측정한다.기존의 전기화학 기술(심방전 납축전지 등) 외에도 연료전지, 대형 리튬이온 배터리, 전기화학 반응기, 슈퍼커패시터와 같이 상용화되고 있는 다양한 새로운 기술이 등장하고 있다.[34] 1938년 헝가리 화학자 라슬로 세벨레디(László Szebellédy)와 졸탄 소모지(Zoltan Somogyi)는 미량 정량 분석을 위해 전기화학적 또는 쿠르메트 적정법을 도입했다.[35]
전기화학은 식품 산업에서도 중요한 응용 분야를 가지고 있다. 예를 들어 식품/포장 상호 작용 평가,[36] 우유 성분 분석,[37] 아이스크림 혼합물의 특성 분석 및 동결 종점 결정, 올리브 오일의 유리 산도 결정 등에 활용된다.
5. 6. 전자공학
전자공학에서 사용되는 전해 콘덴서, 액정 디스플레이, 유기 EL 소자, 센서 등의 작동에는 전기화학적 현상이 깊이 관여하고 있다.5. 7. 광전기화학
빛을 조사함으로써 표면에 전위차가 발생하여 전기화학 반응을 일으킨다. (혼다-후지시마 효과) 모든 반도체에서 그 현상이 있으며, 그에 따라 이온화하거나 수용액을 전기분해하는 것도 있다. 실용적인 면에서는 광촉매와 색소감응 태양전지 등이 있으며, 유용한 화학 원료의 합성도 시도된다.[38][39]참조
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