화학 고3 산화·환원 반응

다니엘 전지

Q: 전지의 전압 1.10,V는 언제 측정한 값인가요?

표준 상태, 즉 두 이온 농도가 모두 1,M이고 25,일 때의 값입니다. 전지를 사용하면 Cu2+가 줄고 Zn2+가 늘어나므로 전압은 점점 떨어지고, 평형에 도달하면 0이 됩니다.

아연(-극)과 구리(+극)를 황산아연·황산구리 용액에 담근 최초의 실용 갈바닉 전지. 전자는 Zn→Cu 방향으로 흐르며 기전력 ≈ 1.10 V.

아연판을 황산 아연 용액에, 구리판을 황산 구리 용액에 담그고 염다리로 이은 전지로, 아연이 녹으며 내놓은 전자가 전선을 따라 구리 쪽으로 흘러 약

1.10 V

의 전압을 냅니다.

볼타 전지가 두 선수를 한 링에 세워 놓아 금세 지쳐 버린 경기라면, 다니엘 전지는 두 선수를 각자의 방에 두고 전화선(전선)으로만 연결한 경기입니다. 서로 직접 부딪치지 않으니 오래갑니다.

쉽게 말하면

다니엘 전지는 전기화학 전지의 원리를 가장 깔끔하게 보여 주는 구조입니다. 아연은 구리보다 환원 전위가 낮아 전자를 내놓으려 하고, 구리 이온은 전자를 받으려 합니다. 이 둘을 한 그릇에 넣으면 전자가 그 자리에서 곧바로 건너뛰어 열만 나오지만, 두 개의 그릇으로 나누면 전자가 전선이라는 먼 길을 돌아가야 합니다. 그 길에 전구를 달면 불이 켜집니다.

각 전극에서 일어나는 일은 다음과 같습니다.

$(-) Zn \to Z n^{2 +} + 2 e^{-} (+) C u^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$

합치면 $Zn + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + Cu$ 입니다. 시간이 지나면 아연판은 얇아지고 구리판은 두꺼워집니다. 표준 환원 전위로 계산하면 기전력은 $0.34 - (- 0.76) = 1.10 V$ 이고, 실제 측정값과 잘 맞습니다.

염다리가 이 전지의 숨은 주인공입니다. 아연 쪽 용액에는 $Z n^{2 +}$ 가 계속 늘어 양전하가 쌓이고, 구리 쪽 용액에는 $C u^{2 +}$ 가 줄어 음전하가 남습니다. 이 불균형을 그대로 두면 전자가 더는 밀려 나가지 못하고 즉시 멈춥니다. 염다리 속 음이온이 아연 쪽으로, 양이온이 구리 쪽으로 이동해 양쪽을 중성으로 유지해 주기 때문에 전류가 계속 흐릅니다. 염다리 대신 두 용액을 반투막이나 다공성 막으로 갈라 놓아도 같은 역할을 합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

전지 표기와 전자의 경로

$Zn (s) ∣ ZnS O_{4} (aq) ∥ CuS O_{4} (aq) ∣ Cu (s)$

전자는 아연판에서 나와 전선을 따라 구리판으로 갑니다. 전선 밖으로는 절대 나가지 않습니다. 염다리 안에서는 전자가 아니라 이온이 움직입니다.
예시 2

시간이 지나면 두 전극과 용액은 어떻게 되나

아연판은 녹아서 질량이 줄고, 구리판에는 구리가 석출되어 질량이 늘어납니다. 아연 쪽 용액은 $Z n^{2 +}$ 가 늘어 진해지고, 구리 쪽 용액은 $C u^{2 +}$ 가 줄어 푸른색이 옅어집니다. 전지의 전압도 이에 따라 서서히 떨어집니다.
예시 3

볼타 전지와 무엇이 다른가

볼타 전지는 아연판과 구리판을 묽은 황산 한 그릇에 함께 담근 것입니다. 구리판 표면에서 $H^{+}$ 가 환원되어 수소 기포가 생기고, 이 기포가 전극을 덮어 전압이 금세 떨어지는 분극이 일어납니다. 다니엘 전지는 두 용액을 아예 분리해 이 문제를 없앴습니다.

자주 하는 오해

염다리로 전자가 흘러 회로가 완성된다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움전선으로 간 전자가 염다리를 통해 다시 아연 쪽으로 돌아온다

실제로는염다리에서는 이온만 움직입니다. 음이온이 아연 쪽으로, 양이온이 구리 쪽으로 이동해 전하 균형을 맞출 뿐입니다.

전자는 금속 도체 안에서만 자유롭게 이동합니다. 용액이나 젤 속에서 전하를 나르는 것은 전자가 아니라 이온입니다. 만약 염다리로 전자가 지나갈 수 있다면 두 용액을 굳이 분리한 의미가 없어집니다 — 전자가 지름길로 새어 나가 전구를 지나지 않을 테니까요.

아연이 녹으니 아연 쪽 용액이

(-)

로 치우친다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움아연이 전자를 내놓았으니 아연 쪽 용액에 음전하가 쌓인다

실제로는전자는 용액이 아니라 금속판을 통해 밖으로 빠져나갑니다. 용액에는

Z n^{2 +}

만 남으므로 아연 쪽 용액은 오히려

(+)

로 치우칩니다.

전자가 어디로 가는지를 놓치면 방향이 통째로 뒤집힙니다. 아연 원자가

Z n^{2 +}

로 바뀌며 남긴 전자는 아연판 안에 남아 전선으로 흘러 나갑니다. 그래서 용액에는 양이온만 늘어납니다. 이

(+)

치우침을 상쇄하려고 염다리의 음이온이 아연 쪽으로 이동하는 것입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

전기화학 전지고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 산화·환원 반응

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

자주 묻는 질문

Q1구리판 대신 다른 금속을 써도 되나요?

환원 전위가 아연보다 큰 금속과 그 이온 용액을 쓰면 전지가 됩니다. 예를 들어 은을 쓰면 전위 차가 더 커져 기전력이 더 큽니다. 반대로 아연보다 환원 전위가 작은 금속을 쓰면 아연이 오히려 환원 전극이 되어 전자의 방향이 뒤집힙니다.

Q2전지의 전압

1.10 V

는 언제 측정한 값인가요?

표준 상태, 즉 두 이온 농도가 모두

1 M

이고

25^{\circ} C

일 때의 값입니다. 전지를 사용하면

C u^{2 +}

가 줄고

Z n^{2 +}

가 늘어나므로 전압은 점점 떨어지고, 평형에 도달하면 0이 됩니다.

Q3아연판을 크게 만들면 전압이 커지나요?

아닙니다. 전압은 두 반쪽의 전위 차이로만 정해지므로 전극 크기와 무관합니다. 다만 아연이 많으면 더 오래 쓸 수 있고, 표면적이 넓으면 한꺼번에 더 큰 전류를 낼 수 있습니다.

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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