물의 전기분해 원리를 알아 보자..

​

1. 물의 전기 분해란?

​

​

2. 물의 전기 분해 화학반응식 분석

​

3. 전해질 원리 및 분석

물의 전기 분해란?

물의 전기 분해 장치는 다음과 같이 생겼습니다.

 

전원 장치에서 전류를 내보내고, 전극은

물과 연결되어 있습니다.

전자(e-)는 (-)극에서 (+)극으로 이동합니다.

​

각각의 전극은 유리관으로 덮어

발생하는 기체를 모으는 것이지요.

​

여기서 잠깐

H2O의 특징을 보자면,

​

물 분자(H2O) 중 매우 극소수는

H2O → H+ + OH-

스스로 "이온화"가 되는 특성이 있습니다.

(물의 자동 이온화)

​

이온화된, H+ 와 OH-가

각각의 전극에서

수소 기체와 산소 기체가 되는 것이지요.

​

또한,

물은 매우 극소수만 스스로 이온화되므로,

순수한 물은 전기전도성이 없습니다.

​

따라서

전류가 흐를 수 있도록

추가로 "전해질"을 넣어주어야 합니다.

각각의 (+), (-) 전극은

​

(-)극 : H가 전자를 받음.

H2기체 생성↑

​

(+)극 : O가 전자를 잃음.

O2기체 생성↑

​

화학 반응식

2H2O → 2H2(-극) + O2(+극)

​

생성된 기체 부피비는

​

H2(g) : O2​(g) = 2:1 로,

​

기체가 나오는 것을 알 수 있습니다.

​

​

각각의 기체는 다음과 같이 확인할 수 있지요?

​

산소 기체(O2)는 성냥 불씨가 잘 타오름.

수소 기체(H2)는 성냥이 펑 하고 터짐.

​

​

굉장히, 간단한 실험 같지만..

​

​

실제, 화학 반응에서 각 전극에서 일어나는

반응의 원리를 조금 더 심.층.적.으로 알아보겠습니다.

​

물의 전기분해 화학반응식 분석

고등학교 화학 공부를 하다 보면,

물의 전기 분해 반응식이

중학교 때 배운 반응식과 달리

​

상당히 복잡한 걸 알 수 있습니다.

​

 

...???!!

​

​

각 (+), (-)극에서 일어나는 반응이

너무도 생소하게 느껴지는군요..

​

​

원리를 설명하기 전에

전체 반응식을 정리해 보겠습니다.

 

 

화학반응식에서 각각의 반응식은

방정식처럼 더하고 빼는 방식이 가능합니다.

(헤스의 법칙)

반응식을 보면,

​

(+)극에서 얻은 전자(e-)의 수

=

(-)극에서 잃은 전자(e-)의 수

​

합하면 서로 "상쇄"되어 사라지지요?

​

​

각 반응식의 H+와 OH-는 합하면,

H2O분자가 되는군요.

4H+와 4OH-가 만나

4개의 물 분자(4H2O)가 생성된 걸 알 수 있습니다.

​

​

6H2O에서 생성된 4H2O를 빼주면,

최종적으로, "2H2O → O2 + 2H2" 로 정리 끝!

​

다음으로, (+), (-)극에서 일어나는

화학 반응식의 원리를 알아볼까요??

원리에 대해 알아보기에 앞서,

​

위에서 말했다시피,

H2O는 스스로 이온화가 되는 성질이 있습니다.

​

H2O → H+(수소이온) + OH-(수산화이온)

물의 자동 이온화

​

실질적으론 다음과 같지만,

2H2O → H3O+ + OH-

(H3O+ : 하이드로늄이온)

​

반응식과 설명을 간단히 하기 위해

위와 같이 나타내겠습니다.

​

이 극소수의 이온화된

H+와 OH-이 각각 (+)극과 (-)극에서

전자 이동이 일어나는 것이지요.

​

​

각각의 반응은 그림과 같습니다.

 

(+)극, (-)극에서 일어나는 물의 전기분해 반응

(+)극 반응

"(+)극"은 O의 전자를 전극에게 제공합니다.

(산화 반응)

​

H2O가 H+와 OH-로 이온화가 되면,

H+는 뺏길 전자가 없으니, pass!

​

OH-에서 전극에 전자(e-)를 제공합니다.

​

OH-​는 H와 O로 이루어진 공유결합이지만,

전기음성도 개념에 의하면,

​

산소(O)는 수소(H)보다

전자를 잡아당기는 힘이 훨씬 강하답니다.

전기음성도 : 산소(O) : 3.5, 수소(H) : 2.1

​

따라서,

공유결합을 하고 있지만

실질적으론, H의 전자는 O에게

빼앗긴 격이 되는 것이지요.

​

OH-​에서

산소(O)에 전자가 8개 (O2-)가 되겠지요??

여기서,

O의 여분의 "전자 2개"가

전극으로 빼앗기게 됩니다.

​

O2- → O + 2e-

​

이 산소 원자끼리 결합하여

산소기체 O2(g)​를 생성하는 것이지요.

​

반응식으로 순서대로 정리하면 다음과 같겠습니다.

​

H2O → H+ + OH-

​

→ H+ + H+ + O +2e-

​

→ 2H+ + 1/2O2(g) + 2e-

​

​

(-)극 반응

"(-)극"은 전극에서 나오는 전자를

물질이 받는 반응(환원 반응)입니다.

​

마찬가지로,

H+와 OH-로 물이 이온화되었을 때,

​

이번엔,

전자를 받아야 하므로

OH-가 아닌, 전자가 부족한

H+가 전자를 받게 되는 것이지요.

​

위의 그림을 보면

H2O 하나 당 H+가 전자(e-) 1개를 받습니다.

H2O → H+ + OH- + e- → 1/2H2(g) + OH-

​

(+)극과 "잃고 얻은 전자의 수"​를 맞추기 위해선

전체 반응을 2배를 해야겠군요.

​

2H2O + 2e- → H2(g) + 2OH-

​

 

각각의 반응식에 x2를 해주면,

처음의 그림과 같은 화학 반응식이 나오는군요!!

​

(+)극은 OH-가 전자를 잃고(산화), O2(g) 생성

(-)극은 H+가 전자를 얻어(환원), H2(g) 생성

​

된다는 걸 알 수 있습니다.

​

​

최소 고등학교 화학1 이상의 개념이 필요하므로

중학교 학생들에겐 어렵게 느껴지겠습니당..

​

​

다음으로,

더욱 복잡한..

전해질의 원리를 알아볼까요??

​

전해질 원리 및 분석

전해질이란..?

​

전기 전도성이 없는 순수한 물(H2O)이

전류가 흐를 수 있도록 넣어주는 물질을

전해질이라 합니다.

​

​

전해질 원리를 그림으로 볼까요??

 

 

황산나트륨(Na2SO4)전해질의 흐름

전해질이 있는 수용액에 전류가 흐르면,

​

(-)극에서 오는 전자를 받기 위해,

양이온 (Na+)가 이동.

​

(+)극에 전자를 내보내기 위해,

음이온 (SO42-)가 이동.

​

그림과 같이 양이온과 음이온이

각각의 극으로 이동하여 전자를

제공받거나 제공하려 하지요.

​

but,

​

(-)극을 보면 실제로 전자(e-)를 제공받는 것은

Na+가 아닌 근처의 H+가 대신 제공받아

"H2가 생성"되는 것이지요.

Na+보다 H+가 더 전자를 받기 선호한다는 뜻.

(H+가 Na+보다 "환원"되려는 성질이 더 강함.)

​

​

(+)극도, SO42-가 전자​를 제공하는 것이 아닌,

근처의 OH-이 전자를 제공하는 것이지요.

SO42-보다 OH-속 O가 전자를 더 제공하기 쉽다는 뜻.

(SO42-보다 OH-가 "산화"되려는 성질이 더 강함.)

​

다소 의미가 어렵지요??

​

다시 말해,

전해질의 양이온과 음이온이

H+, OH-와 전자를 받거나 얻는 과정에서

"경쟁"한다는 뜻입니다.

누가 더 전자를 원하는가..?! ㅇ.ㅇ

​

​

누가 더 산화, 환원되려는 성질이 강한가에 따라

전해질이 될 수도 있고 아닐 수도 있습니다.

예를 들어,

전해질이 염화 구리CuCl2(aq)를 보겠습니다.

 

(-)극에서 H+대신, Cu2+가 전자를 받게 되면서,

Cu가 (-)극에서 석출되어 버립니다.

Cu2+가 전자를 얻으려는 성질이 더 강함.

​

(+)극에서도 Cl-가 전자를 제공하게 되면서,

Cl2(g)가 나오게 됩니다.

Cl-가 전자를 제공하려는 성질이 더 강함.

​

따라서,

CuCl2는 물의 전기분해 실험에서

"부적합한 전해질"이 되는 것이지요...

​

그림을 보면 볼트(V)가 있는 걸 알 수 있듯이,

이쪽과 관련된 개념은

"전기화학 개념"이랍니다.

내용을 이해하기엔 다소 어려움이 있지요..

​

​

흔히, 우리가 아는 개념으로는

금속의 이온화 경향성 크기가 있습니다.

​

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn … > H > Cu > Hg …

​

각각의 원소가

이온화되려는 경향의 크기를 나타내지요.

Na → Na+

H → H+

Cu → Cu2+

​

Na은 H보다

Na+로 남으려는 성향이 더 강하기 때문에,

(-)극에서 전자가 들어오면,

H+가 받게 되지만,

​

Cu는 H보다

Cu2+로 남으려는 성향이 더 약하므로,

(-)극에서 전자가 들어오면

H+보다 먼저 전자를 챙겨 "환원" 되는 것이지요.

고등과정에선 이 정도 선으로만, 이해하셔도 충분합니당.

원소마다 전자를 얻는 정도를

(물질이 환원되려는 정도)

1M, 1atm에서 "H+, 0V를 기준"으로

전압으로 나타내는

대표적인 "표준 환원 전위 표"가 있습니다.

 

간단히만, 설명하자면

각 물질이 "환원될 때의 전압"을 나타낸 것이랍니다.

​

전압(V)이 높을수록 "환원"이 잘 됨. (산화가 잘 안됨.)

전압(V)이 낮을수록 "산화"가 잘 됨. (환원이 잘 안됨.)

​

표에서 Na+를 보면, -2.71V군요.

산화되려는 성질이 강한 놈입니다.

​

(-)극에서 환원 반응이 일어날 때,

Na+, H2O, Cu2+

를 비교해 볼까요?

​

Na+ : -2.71V

​

(-)극 H2O 반응 : -0.83V

표에서, 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- 참고

​

Cu2+​ : +0.34V

​

"전압 크기 순서"로 정리하면,

​

Cu2+ > H2O > Na+

​

즉, Cu2+가 환원되려는(전자를 얻는)성향이

가장 강하기에 H+보다 Cu2+ 우선적으로

전자를 받아 Cu(s)으로 석출되는 것이지요.

​

​

(+)극은 OH-나 전해질의 음이온이

산화 반응(전자를 잃는)이 일어나는 곳이지요?

​

다시 말해

OH-보다 산화하려는 성향이 약해야,

OH-가 먼저 산화되겠지요.

​

산화가 약하다는 것은,

환원하려는 성질이 강하다는 것이지요?

​

환원되려는 성질이 강한 놈은

표에서 오른쪽 위에 있는 물질들입니다.

17족 원소인 F가 있지요.

+2.87V로 가장 높게 나타납니다.

​

이러한 물질들은 환원되려는 경향이 강하니

본인이 산화되기 싫어하는 물질입니다.

​

(+)극의 물의 반응에서

환원전위 값이 1.23V이니

​

이보다 더 높은 값을 갖는 물질들은

(+)극에 작용하는 음이온으로써

적합한 전해질이 될 수 있는 것이지요.

​

단!

​

표의 기준이 모두 들어맞는 것은 아닙니다.

Cl-와 같은 경우,

환원전위가 1.23V보다 높지만,

Cl-는 OH-보다, (+)극에서 먼저

산화되어 Cl2(g)를 생성하기도 합니다.

(Cl-는 부적합한 음이온)

​

위의 표와 달리

실제 분해반응에서 OH-가 산화하기 위해선

더 높은 전압이 요구되기 때문이지요..

이러한 현상을 과전압이라고 합니다.

​

표는 어느 정도 참고 자료가 될 뿐입니다.

​

전해질로 쓰일 수 있는 대표적인 음이온들은

표에는 없지만,

SO42-, NO3- 등이 있습니다.

​

이러한 놈들은 앵간해선 산화하지 않기 때문에,

(+)극에서, H2O의 OH-가 산화하게 되는 것이지요.

​

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