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1. 화학 전지
1.1. 화학 전지의 정의와 원리
화학 전지는 자발적인 화학 반응에 의해 일어나는 전자 이동을 이용하여 전기 에너지를 얻는 장치이다. 화합물 내의 원자와 분자는 전자를 잃어버리거나 얻게 되는데, 이때 전자를 잃어버리는 물질은 "산화"되었다고 하고 전자를 얻은 물질은 "환원"되었다고 한다. 이러한 산화-환원 반응은 화학의 여러 분야에서 널리 활용되고 있다.
분자들 사이에서 자발적으로 일어나는 산화-환원 반응을 이용해서 금속선을 통하여 전자가 흐르도록 만들면 전기 에너지를 제공하는 전지(cell)를 만들 수 있다. 건전지와 자동차용 배터리가 그런 화학 전지의 대표적인 예이며, 우리 생활에서 사용하는 전자 제품의 대부분은 이런 화학 전지를 에너지원으로 사용하고 있다.
전류를 만들어서 전기 에너지원으로 사용하기 위한 화학 전지를 "갈바니 전지"(galvanic cell)라고 하는데, 산화-환원 반응이 일어나는 두 개의 반쪽 전지(half cell)를 금속선으로 연결하여 구성된다. 특히 전해질(electrolyte)을 포함하는 용액에서 일어나는 반응을 이용하는데, 이때 금속 전극이 산화 또는 환원 반응을 통해 전자를 내어놓거나 받아들이게 된다.
전지에서 한 쪽 반쪽 전지에서는 화합물이 산화되면서 빠져 나온 전자가 전극을 통하여 다른 반쪽 전지로 흘러가서 전극을 통하여 수용액 중의 화합물에 전달되어 환원 반응이 일어나게 된다. 이때 산화 반응이 일어나는 전극을 산화전극(anode)이라고 부르고, 환원 반응이 일어나는 전극을 환원전극(cathode)이라고 한다. 전자는 산화전극에서 환원전극 쪽으로 흐르므로, 전류는 환원전극에서 산화전극 쪽으로 흐른다.
1.2. 산화-환원 반응과 전극 반응
화합물은 양전하를 가진 원자핵 주변에 전자가 구름처럼 분포하여 구성되며, 원자나 분자를 둘러싸고 있는 전자는 원자와 분자의 종류에 따라 쉽게 떨어져 나가서 다른 원자나 분자로 옮겨가기도 한다. 이때 전자를 잃어버리는 원자나 분자는 "환원"되었다고 한다. 이러한 산화-환원 반응은 산-염기 반응과 마찬가지로 화학의 여러 분야에서 널리 활용되고 있다.
분자들 사이에서 자발적으로 일어나는 산화-환원 반응을 이용해서 금속선을 통하여 전자가 흘러가도록 만들면 전기 에너지를 제공하는 전지를 만들 수 있다. 화합물이 전자를 잃어버리거나 얻을 경우에는 전하를 가진 이온이 만들어지기 때문에 대부분의 전지는 이온을 안정화시킬 수 있는 수용액에서 일어나는 반응을 이용한다.
반쪽 전지에는 쉽게 이온화하여 산화 또는 환원될 수 있는 전해질이 들어있다. 금속 전극은 금속선을 통해서 다른 쪽의 전극과 연결되어 있으며, 용액의 전하 변화를 상쇄시켜주기 위한 염다리를 사용하기도 한다. 이렇게 구성한 전지의 한 쪽 반쪽 전지에서는 화합물이 산화되면서 빠져 나온 전자가 전극을 통하여 다른 반쪽 전지로 흘러가서 전극을 통하여 수용액 중의 화합물에 전달되어 환원 반응이 일어나게 된다. 이때 산화 반응이 일어나는 전극을 산화전극, 환원 반응이 일어나는 전극을 환원전극이라고 부른다. 전자는 산화전극에서 환원전극 쪽으로 흘러가므로, 전류는 환원전극에서 산화전극 쪽으로 흘러간다. 이때 환원전극이 산화전극보다 전위가 더 높아서 환원전극을 (+)극, 산화전극 (-)극이라고 부르기도 한다.화학 전지에서 일어나는 산화-환원 반응은 화학반응 중 가장 기본적이고 중요한 반응 유형 중 하나이다. 산화란 전자를 잃는 현상을 말하고, 환원은 전자를 얻는 현상을 말한다. 이러한 산화-환원 반응은 화학반응의 근본 메커니즘을 이루는 핵심 개념이라고 할 수 있다.
화학 전지에서는 금속 전극에서 일어나는 산화반응과 환원반응이 결합되어 전기 에너지를 생산한다. 산화전극에서는 금속이 이온화되면서 전자를 내놓고, 이 전자가 외부 회로를 통해 환원전극으로 이동하여 환원 반응을 일으킨다. 이때 산화전극과 환원전극 사이의 전위차가 전지의 기전력을 결정한다.
금속들은 서로 다른 산화-환원 반응 경향성을 가지고 있는데, 이를 전기화학적 서열로 나타낼 수 있다. 이 서열에 따르면 반응성이 큰 금속일수록 쉽게 이온화되어 산화되는 반면, 반응성이 작은 금속일수록 환원되기 쉽다. 따라서 전지 제작 시 반응성이 서로 다른 두 금속을 사용하면 전자의 흐름이 발생하여 전기 에너지를 얻을 수 있다.
1.3. 표준 수소 전극과 표준 환원 전위
표준 수소 전극(standard hydrogen electrode)은 1기압의 압력으로 유지되는 수소 기체와 평형을 이루...
