화학 고3 산화·환원 반응

전기 분해

Q: 전압을 아주 조금만 걸어도 분해가 되나요?

아닙니다. 그 반응의 역방향 전위보다 큰 전압을 걸어야 비로소 반응이 시작됩니다. 예를 들어 물의 전기 분해에는 이론상 최소 전압이 있고, 실제로는 전극 표면에서의 저항 때문에 그보다 조금 더 높은 전압이 필요합니다.

Q: 전기 분해에도 염다리가 필요한가요?

보통은 필요 없습니다. 전기 분해는 대개 하나의 전해질 용액에 두 전극을 함께 담그기 때문에, 이온이 용액 안에서 자유롭게 이동하며 전하 균형을 맞춥니다. 두 전극의 생성물이 섞이면 안 되는 공정에서는 분리막을 씁니다.

Q: 구리 정제는 왜 전기 분해로 하나요?

불순물이 섞인 구리를 (+)극으로 쓰면 구리만 골라 녹여 (-)극에 순수한 구리로 다시 입힐 수 있기 때문입니다. 구리보다 환원되기 어려운 금속은 이온으로 용액에 남고, 더 쉬운 금속은 녹지 않고 바닥에 가라앉아 자연히 분리됩니다.

외부 전원으로 비자발적 산화·환원 반응을 일으켜 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 과정이다. 진로선택 「화학 반응의 세계」 소속.

외부 전원으로 전기 에너지를 넣어, 저절로는 일어나지 않는 산화·환원 반응을 억지로 일으키는 과정입니다.

전지가 언덕을 굴러 내려가며 물레방아를 돌리는 일이라면, 전기 분해는 그 공을 다시 언덕 위로 밀어 올리는 일입니다. 밀어 올리려면 당연히 힘, 즉 외부 전원이 필요합니다.

쉽게 말하면

전기화학 전지는 $E_{전지}^{\circ}$ 가 양수인 자발적 반응을 이용해 전기를 얻습니다. 전기 분해는 정확히 그 반대입니다. $E_{전지}^{\circ}$ 가 음수인 반응, 즉 그냥 두면 절대 일어나지 않을 반응을 외부 전원의 힘으로 밀어붙입니다. 그래서 전기 분해에는 반드시 건전지나 직류 전원 장치가 있어야 하고, 전원이 공급하는 전압이 그 반응의 역방향 전위보다 커야 반응이 시작됩니다.

전극 이름은 여기서도 반응이 정합니다. 산화가 일어나는 쪽이 산화 전극, 환원이 일어나는 쪽이 환원 전극입니다. 다만 부호가 뒤바뀝니다. 외부 전원의 $(+)$ 단자가 전자를 빨아들이므로 거기 연결된 전극에서 산화가 일어나고, $(-)$ 단자가 전자를 밀어 넣으므로 거기 연결된 전극에서 환원이 일어납니다. 전지에서는 산화 전극이 $(-)$ 였지만, 전기 분해에서는 산화 전극이 $(+)$ 입니다.

수용액을 전기 분해할 때는 물이 함께 경쟁한다는 점이 중요합니다. 녹은 염화 나트륨을 분해하면 $(-)$ 극에서 나트륨 금속이 나오지만, 소금물을 분해하면 나트륨이 아니라 수소 기체가 나옵니다. 물이 나트륨 이온보다 훨씬 쉽게 환원되기 때문입니다. 즉 전극에서는 '넣어 준 물질'이 아니라 '가장 쉽게 반응하는 종'이 반응합니다.

전기 분해는 실험실 시연이 아니라 산업의 기둥입니다. 알루미늄 제련, 구리 정제, 도금, 수소 생산이 모두 전기 분해입니다. 전기를 얼마나 흘려야 물질을 얼마나 얻는지는 패러데이 법칙이 정확히 알려 줍니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

물의 전기 분해

$(-) 환원 전극 : 2 H_{2} O + 2 e^{-} \to H_{2} + 2 O H^{-} (+) 산화 전극 : 2 H_{2} O \to O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-}$

전자 수를 맞추면 전체는 $2 H_{2} O \to 2 H_{2} + O_{2}$ 입니다. 수소와 산소의 부피비가 $2 : 1$ 로 나오는 이유가 여기 있습니다. 순수한 물은 이온이 거의 없어 전기가 잘 통하지 않으므로, 황산 나트륨 같은 전해질을 조금 넣어 줍니다.
예시 2

녹은 염화 나트륨 vs 소금물

$녹은 NaCl : (-) N a^{+} + e^{-} \to Na 소금물 : (-) 2 H_{2} O + 2 e^{-} \to H_{2} + 2 O H^{-}$

같은 $NaCl$ 인데 결과가 완전히 다릅니다. 물이 있으면 물이 먼저 환원되어 나트륨 금속은 나오지 않습니다. 그래서 나트륨 금속은 반드시 물이 없는 녹은 상태에서 얻습니다.
예시 3

구리 도금

$C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$

도금하려는 물체를 $(-)$ 극에 연결하고 구리판을 $(+)$ 극에, 황산 구리 용액에 담급니다. $(+)$ 극의 구리가 녹아 이온이 되고, 그 이온이 $(-)$ 극의 물체 표면에서 환원되어 얇은 구리층으로 입혀집니다. 용액 속 구리 이온 농도는 거의 그대로 유지됩니다.

화학 전지와 전기 분해

구분	화학 전지	전기 분해
반응의 자발성	자발적 ( $E_{전지}^{\circ} > 0$ )	비자발적 ( $E_{전지}^{\circ} < 0$ )
에너지 변환	화학 → 전기	전기 → 화학
외부 전원	필요 없음 (스스로 전원)	반드시 필요
산화 전극의 부호	$(-)$ 극	$(+)$ 극
환원 전극의 부호	$(+)$ 극	$(-)$ 극
전자가 나오는 곳	산화 전극 (둘 다 공통)	산화 전극 (둘 다 공통)

자주 하는 오해

'산화 전극은

(-)

극'이라고 외워 두고 전기 분해에도 그대로 쓰기

이렇게 생각하기 쉬움전기 분해에서도 산화 전극은

(-)

극이니,

(-)

극에서 기체가 산화되어 나온다

실제로는전기 분해에서 산화 전극은

(+)

극입니다. 외부 전원의

(+)

단자에 연결된 전극이 전자를 빼앗기므로 그곳에서 산화가 일어납니다.

'산화는 산화 전극에서, 환원은 환원 전극에서'는 언제나 참이지만, 그 전극이 몇 번 극인지는 장치에 따라 뒤집힙니다. 전지에서는 전자가 스스로 만들어져 산화 전극에 쌓이므로 그쪽이

(-)

가 되고, 전기 분해에서는 외부 전원이 전자를 억지로 빨아내므로 산화 전극이

(+)

가 됩니다. 부호를 외우지 말고 '전자가 어디로 들어오고 어디로 나가는가'를 그려 보세요.

수용액에서도 넣어 준 이온이 그대로 나온다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움소금물을 전기 분해하면

(-)

극에 나트륨 금속이 석출된다

실제로는

(-)

극에서는 물이 환원되어 수소 기체가 나옵니다. 나트륨 금속은 얻을 수 없습니다.

전극에서는 그 자리에 있는 여러 후보 중 가장 쉽게 반응하는 종이 반응합니다. 물의 환원 경향이

N a^{+}

보다 훨씬 크기 때문에 물이 이깁니다. 설령 나트륨이 석출되더라도 물과 즉시 반응해 버립니다. 수용액 전기 분해 문제를 만나면 반드시 '물도 후보'라는 것을 먼저 떠올려야 합니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

전기화학 전지고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

패러데이 법칙고3

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 전기화학 전지고3 패러데이 법칙고3 표준 환원 전위고3

자주 묻는 질문

Q1전압을 아주 조금만 걸어도 분해가 되나요?

아닙니다. 그 반응의 역방향 전위보다 큰 전압을 걸어야 비로소 반응이 시작됩니다. 예를 들어 물의 전기 분해에는 이론상 최소 전압이 있고, 실제로는 전극 표면에서의 저항 때문에 그보다 조금 더 높은 전압이 필요합니다.

Q2전기 분해에도 염다리가 필요한가요?

보통은 필요 없습니다. 전기 분해는 대개 하나의 전해질 용액에 두 전극을 함께 담그기 때문에, 이온이 용액 안에서 자유롭게 이동하며 전하 균형을 맞춥니다. 두 전극의 생성물이 섞이면 안 되는 공정에서는 분리막을 씁니다.

Q3구리 정제는 왜 전기 분해로 하나요?

불순물이 섞인 구리를

(+)

극으로 쓰면 구리만 골라 녹여

(-)

극에 순수한 구리로 다시 입힐 수 있기 때문입니다. 구리보다 환원되기 어려운 금속은 이온으로 용액에 남고, 더 쉬운 금속은 녹지 않고 바닥에 가라앉아 자연히 분리됩니다.

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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