화학 고3 산화·환원 반응

전기화학 전지

Q: 산화 전극이 항상 (-)극인가요?

화학 전지에서는 그렇습니다. 하지만 외부 전원을 걸어 강제로 반응시키는 전기 분해에서는 산화가 일어나는 전극이 (+)극입니다. '산화는 산화 전극에서'는 언제나 참이지만, 그 전극의 부호는 장치에 따라 달라집니다.

자발적 산화·환원 반응의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 볼타 전지가 대표적이다. 진로선택 「화학 반응의 세계」 소속.

저절로 일어나는 산화·환원 반응을 두 전극으로 갈라놓아, 전자가 전선을 지나가게 만들어 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치입니다.

물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지는 것은 어차피 일어날 일입니다. 그 길목에 물레방아를 끼워 넣으면 일을 시킬 수 있습니다. 전지는 어차피 옮겨 갈 전자의 길목에 전선과 전구를 끼워 넣은 것입니다.

쉽게 말하면

아연 조각을 구리 이온 용액에 그냥 담그면 아연이 녹고 구리가 아연 표면에 달라붙습니다. 전자가 아연에서 구리 이온으로 곧바로 건너뛰기 때문입니다. 이때 화학 에너지는 전부 열로 흩어져 버립니다. 전지는 이 반응을 반쪽 반응식 단위로 쪼개, 산화가 일어나는 곳과 환원이 일어나는 곳을 아예 다른 그릇에 담습니다. 그러면 전자가 직접 건너뛸 수 없으니 전선이라는 우회로를 따라 흐를 수밖에 없고, 그 흐름이 곧 전류가 됩니다.

전극의 이름은 반응이 정합니다. 산화가 일어나 전자를 밀어내는 쪽이 산화 전극이고, 전자가 밖으로 나가므로 회로에서 $(-)$ 극이 됩니다. 반대쪽에서는 전자를 받아 환원이 일어나므로 환원 전극이고 $(+)$ 극입니다. 전자는 항상 산화 전극에서 환원 전극으로, 전선을 따라 흐릅니다.

두 반쪽 전지의 전압 차이를 만드는 것이 표준 환원 전위입니다. 환원되려는 경향이 큰 쪽이 환원 전극이 되고, 두 전위의 차가 전지가 낼 수 있는 최대 전압, 즉 기전력입니다. 이 차이가 클수록 전자를 밀어내는 힘, 다시 말해 전위차가 큽니다.

볼타 전지는 가장 오래된 형태로, 아연판과 구리판을 묽은 황산에 함께 담근 것입니다. 아연이 녹아 전자를 내놓고, 구리판 표면에서는 용액 속 $H^{+}$ 가 전자를 받아 수소 기체가 됩니다. 다만 구리판에 수소 기포가 달라붙어 전압이 금세 떨어지는데, 이것을 분극이라고 합니다. 이 약점을 두 용액을 분리해 해결한 것이 다니엘 전지입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

전지의 표기법 읽는 법

$Zn (s) ∣ Z n^{2 +} (aq) ∥ C u^{2 +} (aq) ∣ Cu (s)$

왼쪽이 산화 전극, 오른쪽이 환원 전극입니다. 세로줄 하나는 고체와 용액처럼 상이 다른 경계, 이중 세로줄은 염다리를 뜻합니다. 이 표기만 봐도 아연이 녹고 구리가 석출된다는 것을 읽어 낼 수 있습니다.
예시 2

볼타 전지에서 일어나는 두 반응

$(-) Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-} (+) 2 H^{+} + 2 e^{-} \to H_{2}$

구리판은 반응에 참여하지 않고 전자를 건네주는 발판 역할만 합니다. 그래서 기포가 올라오는 곳은 아연판이 아니라 구리판입니다.
예시 3

전지가 멈추는 순간

전지는 반응이 평형에 도달하면 전압이 0이 됩니다. 다 쓴 건전지는 '전자가 떨어진' 것이 아니라, 반응물이 소모되어 더 이상 자발적으로 진행할 이유가 없어진 상태입니다. 화학 반응이 끝나면 전기도 끝납니다.

자주 하는 오해

(+)

극에서 전자가 나온다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

(+)

극이 플러스니까 전자가 여기서 출발해서

(-)

극으로 간다

실제로는전자는 산화가 일어나는

(-)

극에서 나와

(+)

극으로 흐릅니다. 전자가 빠져나가는 쪽이 상대적으로 음전하를 띠기 때문에

(-)

극이라 불리는 것입니다.

극의 부호는 원인이 아니라 결과입니다. 산화 전극에 전자가 쌓여 그쪽이

(-)

가 되고, 그 전자가 전위가 높은

(+)

극으로 밀려 흐릅니다. 참고로 '전류의 방향'은 관습상 전자의 반대 방향으로 정의하므로, 전류는

(+)

극에서 나와 회로를 돌아

(-)

극으로 들어간다고 씁니다. 전자와 전류의 방향이 반대인 것은 역사적 약속일 뿐입니다.

염다리를 통해 전자가 흐른다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움회로가 이어져야 하니 염다리로도 전자가 지나간다

실제로는염다리에서 움직이는 것은 전자가 아니라 이온입니다. 전자는 오직 전선을 따라서만 흐릅니다.

산화 전극 쪽에서는 양이온(

Z n^{2 +}

)이 계속 늘어 용액이

(+)

로 치우치고, 환원 전극 쪽에서는 양이온(

C u^{2 +}

)이 줄어

(-)

로 치우칩니다. 염다리의 음이온이 산화 전극 쪽으로, 양이온이 환원 전극 쪽으로 이동해 이 치우침을 상쇄해 줍니다. 염다리를 빼면 전하가 한쪽으로 쌓여 전자의 흐름이 곧바로 멈춥니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

반쪽 반응식과 산화환원 균형고3 표준 환원 전위고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

다니엘 전지고3 연료 전지고3 전기 분해고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

전류·저항·옴 법칙고2

같은 단원의 개념 — 산화·환원 반응

금속 부식고3 다니엘 전지고3 반쪽 반응식과 산화환원 균형고3 연료 전지고3 전기 분해고3 패러데이 법칙고3 표준 환원 전위고3

자주 묻는 질문

Q1산화 전극이 항상

(-)

극인가요?

화학 전지에서는 그렇습니다. 하지만 외부 전원을 걸어 강제로 반응시키는 전기 분해에서는 산화가 일어나는 전극이

(+)

극입니다. '산화는 산화 전극에서'는 언제나 참이지만, 그 전극의 부호는 장치에 따라 달라집니다.

Q2두 금속을 아무거나 골라도 전지가 되나요?

두 금속의 환원 경향이 다르기만 하면 됩니다. 반응성이 큰 금속이 산화 전극이 되고, 두 표준 환원 전위의 차이가 클수록 기전력이 큽니다. 같은 금속 두 개를 쓰면 전위차가 0이라 전류가 흐르지 않습니다.

Q3전지의 전압은 전극을 크게 만들면 커지나요?

아닙니다. 전압은 두 반쪽의 전위 차이로만 결정되므로 전극 크기와 무관합니다. 전극을 크게 하면 오래 쓸 수 있고 더 큰 전류를 낼 수 있을 뿐, 눈금이 올라가지는 않습니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 산화·환원 반응 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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