아낌없이 주는 나무

​

1. 물의 전기 분해란?

​

​

2. 물의 전기 분해 화학반응식 분석

​

3. 전해질 원리 및 분석

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.

​

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"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"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??

​

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.

​

#전기분해 #전기화학 #음극 #양극 #산화 #전자 #음이온 #전해질

【 목 차 】

1. 이온이란 ?

2. 이온결합물질의 특성

3. 이온결합물질 명명법

4. 다원자 이온

5. 전이 이온 금속의 명명법

6. 이온 결합 물질의 용해도 규칙

7. 금속 결합

​

1. 이온이란 ?

 가. 이온의 정의

▣ 양이온은 대부분 금속 Na+, 음이온은 대부분 비금속 Cl-

  ※ 대부분 금속이 양이온이 되고 비금속이 음이온이 되는 이유는 원자가 갖고 있는 최외각

      전자 때문이다.

      최외각 전자 중에서 실제 화학반응에 관여하는 것을 원자가 전자라고 하고

      최외각 전자는 18족 즉, 비활성 기체만 아니면 최외각 전자와 원자가 전자는 같다.

      나트륨(Na)은 최외각 전자가 1개 있고 염소는 제일 바깥 껍질의 전자가 7개 있으므로

      팔전자 규칙, 즉 화학자들이 아는 것 중에 가장 중요한 것은 왜 인지는 모르지만 모든 원

      자는 제일 바깥 껍질의 전자 8개를 맞추기 위해 노력하여 안정해지려고 한다는 것이다.

      금속들은 전자를 버릴려고 하는 것이 많아서 양이온이 되고

      비금속은 최외각 전자가 6~7개가 있으므로 주로 전자를 당겨 와서 음이온이 된다.

​

나. 이온이 만들어지는 이유

  ▣ 소듐의 경우에는 껍질이 3개인데 최외각 전자 1개를 잃어 껍질이 3개에서 2개로 줄어

      원자의 크기가 줄어 들고 즉, 양이온은 원자의 크기가 줄어든다.

  ▣ 음이온의 경우에는 껍질의 개수가 변하지는 않으나 염소를 예를 들면 염소는 껍질이

      3개 있는데 최외각 껍질에 전자가 7개 있는데 전자 1개를 당겨 와서 팔전자 규칙으로

      안정을 취하려 한다. 즉, 제일 바깥 전자껍질에 전자가 7개 있다가 8개가 되었으므로

      당초 전자 보다 전자수가 많아져 전자간의 반발력으로 껍질이 부풀어 올라 원자의

      크기가 확대된다.

[참  고]

 ▣ 이온화 에너지 vs 격자 에너지

   ⊙ 이온화 에너지 : 소듐(Na)이 전자를 하나 잃어서 Na+가 그냥 되는 것이 아니라 반드시

                                에너지가 들어 가야 이온화가 될 수 있다.

          즉, 원자에서 전자를 빼앗아서 원자를 양이온이 되게 하기 위해서는 에너지가 필요

          한데 이를 이온화 에너지 (Ionization Energy) 라고 한다.

          이온화 에너지는 외부에서 원자에 에너지를 주어야 하므로 흡수에너지이다.

          따라서 이온화에너지는 양의 값으로 표기된다. (흡열반응을 한다)

   ⊙ 격자에너지 (Lattice Energy) : 고체인 소금은 이온결합 (Nacl)이 되어 있다. 소금이

         결합되어 있는 것은 플러스(+)와 마이너스(-) 사이의 전기적인 인력 때문에 강하게

         결합되어 있는데 이 고체 상태의 이온 결합물질을 찢어서 기체 상태의 이온으로 만들

         때 소요되는 에너지를 말한다.

         이온결합 +와 -의 전기적인 인력을 이기고 고체상태의 플러스와 마이너스를 찢어서

         기체 상태의 이온으로 만들 때 에너지가 크게 소요되는데 이 에너지를 격자에너지

         (Lattice Energy)라고 한다.

         ELatt, 격자에너지도 흡열반응이므로 양의 값을 갖는다.

​

다. 주족 원소의 이온들

    ※ 이온 결합 물질은 분자로 떼어 낼 수 없으므로 화학식으로 표기한다.

​

나. 전기 전도성

  ▣ 고체 상태에서는 플러스 (+)와 마이너스(-)가 강하게 결합되어 전기가 통하지 않는다.

  ▣ 이온결합 물질을 액체 상태로 만들기 위해서는 전기를 통해 주면서 가열하여 녹여 주는

      과정이 필요하다. 이렇게 만든 액체 상태를 용융상태의 이온결합 물질이라고 한다.

      액체 상태에서는 플러스(+)와 마이너스(-) 이온들이 움직일 수 있으므로 전기가 통하

      고 물에 녹는 이온 결합 물질은 전기가 잘 통한다.

      따라서 사람도 몸에 소금, 나트륨 등 이온들이 있으므로 사람 몸도 전해질이 될 수 있다.

  ▣ 이온 결합물질은 플러스(+)와 마이너스(-)가 강하게 결합되어 있어 이를 분리시키는

      녹는 점, 끓는 점도 높을 수 밖에 없다. (분리를 저항하는 힘이 크기 때문이다)

  ▣ 분리된 분자가 존재하지 않기 때문에 이온 결합 물질을 구성하는 플러스 물질과 마이너

       스 물질의 구성비율로 나타낸다.

​

다. 전기 전도성 (이온결합물질 vs 공유결합물질)

나. 이온 결합 물질의 표기

   ▣ 명칭 뒤에 원소에 결합했다는 의미의 화를 붙이고 영어로는 ide를 붙인다.

   ▣ SO4 는 단원자 이온인데 다원자 이온의 결합에는 화를 붙이지 않는다.

​

다. 일반적인 단원자 이온의 이름

   ※ 소듐 = 나트륨, 플루오린화 = 불화, 아이오딘화 = 요오드화, 포타슘 = 칼슘

​

라. 일반적인 이종 원소 이온 결합물질의 명명법

   예제) 다음 이름을 가진 이온 결합물질의 화학식을 쓰시오.

4. 다원자 이온

가. 다원자 이온 : 전하를 띤 공유 결합 원자들의 결합

나. 중요한 다원자 이온의 이름

다. 다원자 이온이 들어 있는 이온 결합 물질의 명명법

  예제) 다음 화합물의 이름을 쓰시오.

     1) NaNO2 : 아질산 나트륨

     2) CaSO4 : 황산칼슘 ( = 석고)

     3) KNO3 : 질산칼륨

     4) MgSO3 : 아황산 마그네슘

​

다. 다양한 산소산 음이온 (옥소 음이온)이 있는 계열의 명명법

  ▣ 한 계열에 황산 - 아황산, 질산 - 아질산 이렇게 간단하게 끝나는 것이 아니고 4개씩

      들어가 있는 것에 대하여 알아 보자.

  ▣ ClO3- 가 염소산이면, 하나가 부족하면 아염소산, 2개 부족하면 하이포아 염소산 또는

      차아염소산이라고 칭하고 하나가 많아지면 고염소산 이라고 한다.

​

5. 전이 금속 이온의 명명법

가. 다양한 전하를 갖는 이온 : 전이 금속 이온

예제) 산화구리(Ⅰ)의 화학식을 쓰시오.

  ▣ 이온화 되었다는 것은 무질서도가 커졌다는 것을 의미한다. 또한 원소별로 입자가

      쪼개졌다는 것을 의미한다. 입자수가 많아지면 무질서도가 커진다.

      이를 엔트로피가 커진다고 말한다.

      자연계에서 반응은 엔트로피가 커지는 방향으로 이루어진다. 물에 설탕을 넣으면

      물과 설탕이 섞이게 된다. 즉, 엔트로피가 커지게 된다. NaCl의 경우에는 Na+,Cl-로

      쪼개지면 하나의 입자가 2개의 입자로 나뉘어지므로 입자수가 늘어 난다.

      결국 입자수가 커져서 무질서도 엔트로피가 커지게 된다.

  ▣ 물분자는 치환을 못하는데 이온화 되면 자유로이 이동하면서 치환하게 된다.

  ▣ 탄산칼슘의 경우에는 당기는 힘이 커서 물의 이동성이 줄어든다. CaCO3는 입자 1개에

       서 쪼개지면 Ca2+와 CO32-로 쪼개지는데 분자로 있을 때는 물분자 20개를 못 움직이

       게 하는데 이온화 하면 물분자 40개를 못 움직이게 한다.

  ▣ 용질의 입장에서는 이온화하면 입자가 많아졌지만 이온화하면 CaCO3의 경우 입자수

       가 2배로 늘어난 반면 물분자를 이동 못하게 하는 것은 4배로 늘어나므로 이온화하기

       전보다 오히려 무질서도 즉 엔트로피가 줄어 들게 된다.

나. 침전의 생성

다. 정리하기

▣ 금속결합은 예를 들어 구리(Cu) 덩어리를 예를 들면, 구리, 구리 전선을 만들 때 가정해

     보면, 구리 덩어리는 Cu2+가 되고 구리가 전자들을 잃어 버리게 된다. 이를 자유전자라

     고 해서 원자 궤도에서 이탈하여 원자가 전자를 잃어 버리기 쉬운데

     이 자유전자들이 돌아 다니면서 구리(Cu2+) 양이온 사이를 자유롭게 돌아 다닌다.

     그래서 금속결합을 전자 바다 모형이라고 한다.

      전자 바다에 양이온, 금속 양이온 들이 떠 있는 상태의 모양이라서 붙여진 이름이다.

      평소에는 이렇게 있다가 (전류가 흐르기 전) 이렇게 자유롭게 움직이면서 양이온을

      결합시키다가 전류가 흐르면 전류의 플러스(+) 쪽으로 전자들이 움직여서 열과 전기

      의 전도성이 좋은 것이 금속결합의 특징이다.

  ▣ 금속결합은 크게 이야기 하면 금속 양이온과 자유전자들 간의 전자바다 모형으로

       설명할 수 있다.