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. 전기 에너지와 화학적 변화

2. 전해 전지와 전기 분해

3. 전기 분해의 공업적 이용

4. 페러데이의 전기 분해 법칙

​

1. 전기에너지와 화학적 변화

▣ 배터리를 다시 충전하는 것은 외부에서 전기에너지를 주어 충전하게 되는 것이다.

    핸드폰을 사용하여 방전된 경우에 콘센트에 꽃아 다시 충전하는 경우에 충전은 물이

    전기분해되는 과정이다. 물에 전기에너지를 가해 줘서 수소와 산소 기체로 분리하는

    과정이다. 물을 전기 분해 하려면 전기를 물에 효과적으로 전류를 흘려 줘야 하므로

    물에 이온을 용해시켜서 전극 사이에 전하가 통할 수 있도록 해 줘야 한다. 광석에서

    알루미늄 금속을 환원하는 것도 전기분해하는 과정의 일종이다.

    (알루미늄은 지각에서 제일 많은 금속이지만 1850~60년대에 와서야 사람들이 이용

    하기 시작했고 본격적으로 이용하게 된 것은 1900년대에 들어 와서이다)

▣ 알루미늄은 반응성이 좋아서 Al2O3라는 산소와 결합한 상태로 있는데 이 화합물에서

    산소를 떼어내는 것이 알루미늄이 반응성이 좋아 어렵다. 이 물질을 용광로에 넣어 봤자

    용광로 온도가 1000[℃]ㅇ서 1500[℃] 사이인데 알루미늄이 녹는 점이 있고 해서

    알루미늄은 용광로에서 1500[℃] 짜리 돌이 돼서 나오게 된다. 그래서 알루미늄 금속이

    되는 것도 전기에너지를 이용하는 것이다.

​

2. 전기에너지와 전기분해

가. 전해 전지

▣ 이온이 구리용액에 와서 붙는 것이니까 전자가 Cathode 극 쪽으로 들어 오게 된다.

     화학전지는 금속의 반응성이 큰 원소가 anode가 되고 반응성이 작은 금속원소가

     Cathode가 된다.

▣ 전기분해가 되는 전해전지는 상황이 변하게 된다. 전해전지의 전기분해에서는 어떤 금

     속이든 상관없다. 2개의 금속을 외부 전원에 연결하면 되기 때문이다.

마. 염화소듐 수용액의 전기분해

바. 물의 전기분해

3. 전기분해의 공업적 이용

가. 소듐의 제조 : 용융 염화 소듐의 전기 분해

▣ 염화나트륨(NaCl)과 염화칼슘(CaCl2)의 혼합물 중에 순수한 소금(Na)은 801[℃]에서

    녹는데 이들 물질을 혼합시키면 약 580[℃]에서 녹는다. 왜 그런지 아직 밝혀지지는 않

    했지만 산화알루미늄 전기분해에서 알루미늄을 얻을 때도 마찬가지로 산화알루미늄은

    약 3,000[℃]가 되어야 녹는다. 그 산화알루미늄을 빙정석 등과 섞으면 약 1,000[℃]

    에서 녹는다. 아직 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않았다. 이들 혼합물은 녹는 점이 훨씬

    낮으므로 특정 혼합물을 넣어서 NaCl과 염화칼슘 혼합물을 만들어서 산화 · 환원 반응

    을 시켜 용융 염화 소듐에서 나트륨도 찾아 내고 Cl2도 얻는다.

​

나. 염소와 수산화 소듐의 제조 : 염화소듐 수용액의 전기분해

다. 알루미늄 생산

▣ 구리는 전기를 흐르게 하는 전선에 사용하는데 불순물이 조금만 있어도 전기가 흐르는데

     저항이 커져서 전선이 끊어질 수도 있다. 따라서 구리는 순도가 99.99[%] 정도가 되어

     야 전선으로 사용할 수 있다. 순도가 99[%]라면 일반적인 금속이라면 순도가 높은 편인

     데 전선으로 사용하는 구리는 순도가 99.99[%] 이상이 되도록 해야 한다.

▣ 이러한 고순도의 구리를 얻기 위해 위 그림과 같이 순도 99[%] 구리와 순도 99.99[%]

     구리 금속을 구리 용액이 있는 곳에 담그고 외부 전극에 플러스(+)와 마이너스 (-)를 연

     결해 준다. 플러스(+)에 연결된 전극은 anode라서 산화가 일어나는 곳이다. anode는

     산화극으로 양극이라 부른다. 순도 99[%] 구리는 불순한 구리이다. 불순한 구리는

     전자를 빼앗기므로 구리이온(Cu2+) 가 되어 나오기도 하며 이곳에 포함된 1[%]의 불순

     물은 대게 철(Fe), 니첼(Ni) 등이 있다. 은이나 금, 백금 등이 들어 있기도 한다. 만약

     백금(Pt)이 들어 있다고 하면 구리는 전자를 빼앗겨서 구리이온 (Cu2+) 이온이 되는데

     백금은 (Pt)는 반응성이 안좋아 전자를 빼앗기지 않는다. 불순물을 둘러싸고 있는 구리

     는 이온(Cu2+) 이 되어 녹게 되는데 불순물은 그 물질 그대로 밑으로 침전되게 된다.

     따라서 은, 금, 백금 처럼 구리보다 반응성이 낮은 금속들은 작은 금속들이 되어 침전된

     다. 이렇게 양극 찌거기들은 쌓이게 되고 마이너스(-) 극에서는 전자가 계속 공급된다.

     그러면 이온 중에 있는 구리이온은(Cu2+) 가 마이너스(-)에 달라 붙게 된다. 철도 음극

     에 달라 붙고 싶겠지만 구리보다 반응성이 낮아 전자를 받을 생각이 없다. 결국 구리

     이온 (Cu2+) 들이 많아 전자를 이들이 받게 되므로 은, 금, 백금은 이온이 아닌 알갱이로

     바닥에 침전된다. 따라서 Cathode극 음극의 구리는 순도가 자꾸 높아져서 99.99[%]

     이상의 순도를 갖게 된다. 즉, 순수한 구리를 생산할 수 있게 된다. 이 과정이 불순한 구

     리를 순수한 구리로 만드는 과정 즉 제련 전해 정제 과정이다. 그런데 공업 과정에서 구

     리 1[ton]을 만드는데 소요되는 비싼 전기료인데 예전에는 정제 과정에서 생산되는

     금, 은, 백금 등의 부산물로 커버를 했다고 한다. 요즘도 금, 은, 백금 등의 가격이 올라

     경제성에 도움이 된다고 한다.

     이 과정을 다시 정리하면 아래 그림과 같다.

​

4. 페러데이 (Faraday)의 전기 분해 법칙

 ▣ 전기분해 과정에서 석출되는 물질의 양은 다음에 의존한다.

▣ 전자 1 [mol] = 1[F] = 96,485 [C] , 1[C] = 1 [A] × 1 [sec]

▣ 0.5 [A] × 3600[s] = 1800 [C]

     1800 [C] ÷ 96,485 = ? [mol] 전자 몰 수

▣ 이렇게 전류와 시간을 알면 전기화학 반응식에서 나오는 물질의 양을 구할 수 있는 것

     이 페러데이의 전기분해 법칙이다.

​

[페러데이 전기분해 법칙 적용과정]

예제) 30.0[A]의 일정한 전류가 NaCl 수용액에 1.00[h] 동안 흘렀다. 몇 [g]의 NaOH와

      몇 [ℓ]의 Cl2 기체가 STP에서 생성되는지 계산하시오.

       30 [A] × 3600 [s] = C ÷ 96,485 = 전자 몰수

[풀이]

  ▣ 환원 전극에서 생성된 NaOH의 질량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

​

【 목 차 】

1. 전기화학

2. 화학전지

3. 건전지

4. 납축전지

5. 리튬이온전지

6. 연료 전지

7. 태양광전지

​

1. 전기화학 (electrochemistry)

▣ 전기화학은 전기에너지와 화학적 변화 사이의 관계를 연구하는 학문이다. 기본적으로

    산화 · 환원 반응을 이용하여 전류를 생성하거나 전류를 이용하여 산화 · 환원 반응을

    통해 전기분해, 도금을 한다. 산화는 전자를 내 놓고 환원은 그 전자를 받아 전자의

    흐름이 생기게 된다.

​

가. 전자의 흐름 : 금속의 이온화 경향 차이에서 비롯됨

▣ 구리 이온이 있는 용액에 아연 금속을 넣으면 자발적인 산화 · 환원 반응이 일어 나서

     아연은 전자를 버리고 이 전자를 구리 이온이 받아서 구리가 된다. 전자가 이동했다고

     해서 전기에너지가 생성되는 것이 아니다. 왜냐면 반응물질이 같은 용기 안에 있기

     때문이다. 따라서 전기 에너지를 만들기 위해서 전자의 흐름이 생성되도록 하기 위해

     두 금속을 떨어 뜨려 전지를 만들게 되는 것이다.

▣ 구리이온이 들어 있는 수용액에 철로 된 못을 넣어 놓으면 철 원자는 산화되어 Fe2+가

     되고 구리 이온 Cu2+는 환원이 되어 구리 원자로 석출이 되므로 못 표면이 구리로 덮혀

     지게 된다. 따라서 철로 된 못이 구리이온(Cu2+) 용액에서 Fe2+ 이온으로 산화되면서

    동시에 구리 이온이 환원되어 급속 구리가 되어 철로 된 못의 표면을 덮어 버려 전자가

    철 바깥으로 이동하지 못하게 된다.

▣ 철(Fe) 원자가 산화되면서 내 놓은 전자를 구리가 전자를 받아서 환원되어 구리가 석출

    되는데 위 그림에서 철이 처음에 한 두개 조금 가다가 양전하가 축적되어 철이온(Fe2+)

    이 너무 많아지게 된다. 구리 쪽은 마이너스(-) 음전하가 너무 많아지니까 이 전자가

    마이너스인 곳으로 밀어 들어 가지 못하게 된다. 이렇게 되어 전하가 축적되는 현상 때문

    에 전류가 지속되지 못하는 문제가 발생한다.

▣ 철이온 (Fe2+)이 너무 많아 NO3-가 철이온(Fe2+) 쪽으로 이동하여 플러스 이온을 중화

     시키는 역할을 하고 구리 쪽은 플러스(+)가 부족하다 보니 Na+가 가서 플러스(+)를 공

     급해 주는 역할을 한다. 질산소듐 NaNO3의 역할이 이런 것이다. 양쪽 끝에 작은 구멍이

     있는 U자형 관이 염다리인데 염다리를 통해 이온이 이동하여 전하의 축적문제를 해결

     하기 때문에 지속적으로 전류가 생성하게 해 준다.

​

3. 건전지

가. 건전지

▣ 화학전지의 용기 2개를 하나로 모으고 용액을 흐르지 않게 하여 사용하기 편리하게 만든

     전지가 건전지이다.

▣ 건전지는 화학전지의 용액의 불편을 해소 시키기 위해 건(Dry) 셀(Cell)로 만든 것이다.

▣ 2개의 용기를 하나로 모으고 여기에 염화 암모늄, 염화 아연, 이산화망가니즈가 섞여

    있는 반죽의 가운데 흑연 막대기를 두고 외부의 판이 아연판이다. 그러면 산화는 바깥에

    있는 아연판에서 전자가 나오는 것이고 환원은 가운데 흑연 막대기에서 암모늄 이온이

    전자를 받아서 암모니아와 수소로 바뀌는 반응을 이용한 것이다.

    여기에 암모늄 이온을 내놓는 반죽으로 NH4Cl 을 섰다. 이 물질은 NH3와 HCl이 합쳐

    진 화합물이다. 약염기와 강산이 만나 약산인 염화 암모늄 NH4Cl이 형성된다.

▣ 건전지의 문제점은 암모니아 기체와 수소기체가 생기는 것이다. 이들 기체가 생겨 압력

     이 커지면 폭발할 위험이 있다. 이를 제거하기 위해서는 염화아연 같은 물질을 넣어

     이산화망간 같은 물질이 실제 전기반응과 상관없이 기체가 폭발하지 못하도록 하는 역

     할을 하게 해준다.

▣ 건전지의 가장 큰 문제는 염화암모늄이란 산성 물질이 생성되는 것이다. 건전지는 사용

     을 안해도 염화암모늄과 아연판이 반응을 해서 부식이 된다. 건전지를 보면 아래쪽에

     하얀 가루 같은 것이 생기는데 그러면 건전지는 못 쓰게 된다. 이런 현상으로 수명이 짧

     아 지고 금속아연을 산성 용액에 담근 것이나 마찬가지 이므로 아연판이 산화되면서

     내용물이 밖으로 빠져 나와서 하얀 고체가루가 생기고 이렇게 되어 건전지를 못 쓰게

     된다. 금속은 기본적으로 산을 만나면 반응을 해서 자꾸 없어지게 된다. 이런 문제를

     없애기 위해 알칼라인, 알카바 등 알칼리 배터리가 나오게 되었다.

​

나. 알칼리 배터리

▣ 알칼리 배터리는 알칼리성 염기성 반죽을 사용하여 산성용액 화학전지의 문제점을 해결

     한다. 요즘 사용하는 배터리는 모두 알칼리 배터리이다. 아연을 부식시키는 암모늄 이온

     을 사용하지 않으니까 수명이 증가하고 기체가 발생하지 않기 때문에 작동기간 중에

     일정한 전압을 유지하게 된다.

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4. 납축전지

▣ 리튬 이온 전지는 전기자동차에도 사용가능하고 휴대폰에도 사용 가능하다. 리튬이온전

    지는 일반 전지와 구분되는 장점을 가진다. 양극은 anode 산화반응을 한다. 리튬 자체

    가 전자를 내놓는다. 음극은 Cathode이다. 코발트 산화물이 리튬 이온과 만나서 전자

    를 만나면 안정된 상태로 바뀐다.

▣ 리튬이 양극 anode에서 리튬 이온과 전자를 내놓는다. 음극은 양극에서 나오는 리튬이

    온을 저장했다가 바깥으로 방출하면서 외부 회로를 통해서 전기가 흐르도록 해 준다.

    음극에 리튬이온을 효과적으로 저장할 수 있는 물질 즉, 코발트 성분들을 가지고 저장할

    수 있게 해 준다.

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가. 리튬 이온 전지의 장점

▣ 리튬 이온 전지의 장점은 전지 포텐셜이 상대적으로 3.4[V]로 크다는 것이다. 건전지가

     1.5 [V]인데 리튬이온전지는 상대적으로 아주 작은데 3.4[V]를 낸다. 따라서 아주 큰

     전압을 생산할 수 있다는 것이다. 리튬은 금속중에서 제일 가볍다. 바다속에 리튬과

     나트륨이 있는데 나트륨과 리튬은 성질이 비슷한데 리튬을 사용하는 이유는 리튬은

     1[mol]의 전자를 생산하는데 6.94 [g] 만이 필요한데 나트륨(Na)은 23[g]이 필요하여

     리튬(Li)이 아주 적은 양으로 많은 전기를 생산할 수 있기 때문이다. 또한 수백번 충전이

     가능하고 휴대하기 편리한 장점이 있다.

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6. 연료 전지

▣ 연료전지는 fuel Cell 이라 한다. 연료 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이다. 연료 전지

     는 수소와 산소가 만나는 반응 즉 물(H2O)가 만들어 지고 OH-가 되는 반응이다.

     수소와 산소가 만난다고 해서 모두 물이 되는 것은 아니다. 수소와 산소가 만나서 물이

     되는 반응은 수소와 산소 표면에서만 전자가 이동하므로 수소와 산소 사이에 구멍이 있

     는 막 2개를 이용하여 한쪽에서 수소가 전자를 내놓는 반응과 다른 쪽은 산소가 전자를

     얻는 반응이 멀리 떨어진 상태에서 일어 날 수 있도록 유도해 주는 것, 이렇게 해서 전자

     의 흐름이 생기도록 만들어 주는 것이 연료전지이다.

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가. 연료전지의 개발 이유

▣ 연료 전지의 가장 좋은 점은 이 연료를 생산하는 에너지원이 산소와 수소라는 것이다.

     수소와 산소가 만나 바로 물이 된다. 이 과정이 환경오염도 없고 에너지 효율도 높다.

     당초 연료 전지는 우주선에서 사용하기 위해 개발되었다고 한다. 물은 비중이 높아

     우주선에 실으면 중량이 너무 커진다. 따라서 우주선에서 수소와 산소를 이용하여

     전기도 생산하고 물(H2O)도 생산하도록 개발한 것이다. 이때 생성된 물은 순수한 물로

     약간의 미네랄을 첨가하면 음용의 물로 사용할 수 있다.

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나. 연료전지의 원리

▣ 가장 단순한 형태의 연료전지는 수소, 산소 연료전지로 가운데에 수산화포타슘(KOH)

    용액이 있고 산소, 수소 가스만 불어 넣어 주면 부산물로 물(H2O)만 생기는 반응이다.

    그런데 문제는 최초의 이런 연료전지는 수산화 포타슘(KOH) 용액이 뜨거워야 반응이

    일어 난다는 것이다. 약 400[℃] 이상이 필요하다. 전기를 생산하기 위해서는 400[℃]

    까지 수산화포타슘(KOH)를 끓여야 한다. 따라서 비용이 많이 드는 단점이 있다.

▣ 연료전지는 부산물이 수증기 밖에 없다. 그런데 한계점은 수소가 자연계에서 풍부하지

     않다는 것이다. 요즘에는 메테인 가스에 수증기를 불어 넣어서 수소를 생산하기도 하고

     석탄에 수증기를 불어 넣어 수소를 발생시키는 방법을 사용하기도 한다.

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7. 태양광 전지

▣ 태양광 전지는 광전효과라고 해서 원자에 빛을 비추면 금속원자에 햇볕을 비추면 이 햇

    빛이 강할 때 특정한 에너지 이상의 빛이 가서 금속원자의 전자를 바깥으로 튀어 나오게

    하는 그런 과정이 발생한다. 광전지는 효율이 좋고 햇볕만 쐬면 전자가 나오니까, 중간

    과정이 필요하지 않다. 전자가 바로 튀어 나와서 전자가 이동하는 즉, 햇볕을 직접 전기

    에너지로 바꾸는 아주 좋은 시스템이고 유지관리가 크게 필요하지 않은 장점이 있다.

▣ n형 규소와 P형 규소(반도체)가 필요하다. n형 규소는 비소라고 맹독성 물질인데 15족

    원소를 넣어 남는 전자 하나가 있게 만들고 P형에는 붕소같은 13족 원소를 넣어 구멍,

    빈 곳을 하나 만들게 된다.

▣ 외부에서 햇볕을 비추면 n형의 남아 도는 전자가 P에 빈 구멍이 하나 있어 전자가 그 곳

     으로 이동하게 된다. 처음에 전자가 P형으로 이동하여 마이너스(-)가 많아 진다. n형

     규소의 전자는 더 이상 못오게 되는데 P형에 있는 전자는 "저기 플러스이니까 플러스로

     갈래" 이렇게 움직일 수가 있다. 그래서 한 방향으로 전자의 흐름이 가능해진다.

▣ 광전효과가 발생하면 P형에서 n형으로만 전자가 이동하기 때문에 한 방향으로의 전자

     흐름, 전류가 형성되고 빛에너지를 전기에너지로 바로 이용할 수 있게 된다.