화학 전지와 볼타·다니엘 전지

핵심 정리

화학 전지는 산화 환원 반응에서 나오는 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치다. 전지에서는 산화 반응과 환원 반응이 동시에 일어나며 전자가 이동한다. 두 전극을 도선으로 잇고 두 용액을 염다리나 다공성 격막으로 연결하면, 한쪽 전극에서는 산화가 일어나고 다른 쪽 전극에서는 환원이 일어난다. 산화가 일어나는 전극을 산화 전극, 환원이 일어나는 전극을 환원 전극이라고 한다.

전자가 나가는 전극은 (−)극이고, 환원이 일어나는 전극은 (+)극이다. 갈바니 전지에서 전자가 나가는 전극은 산화 반응이 일어나는 (−)극이다. 따라서 산화 전극은 (−)극(음극)이고 환원 전극은 (+)극(양극)이다. 갈바니 전지의 음극에서는 산화 반응이 일어난다. 이온화 경향이 큰 금속 전극에서 산화 반응이 일어난다.

산화 전극에서는 금속이 산화되어 전극의 질량이 감소한다.산화 전극에서는 금속이 산화되어 전극의 질량이 감소한다. 전자는 산화 전극에서 환원 전극 쪽으로 도선을 따라 이동한다.전자는 산화 전극에서 환원 전극 쪽으로 도선을 따라 이동한다. 전류는 전자의 이동과 반대 방향으로 흐르므로 환원 전극에서 산화 전극 쪽으로 흐른다. 환원 전극에서는 금속 이온이 금속으로 석출되는 경우 전극의 질량이 증가한다.

화학 전지의 (−)극에서는 산화 반응이 일어나 금속 이온의 양이 증가한다. 화학 전지의 (+)극에서는 환원 반응이 일어난다.화학 전지의 (+)극에서는 환원 반응이 일어난다. 금속 이온이 환원되어 전극에 석출되는 경우 (+)극의 질량은 증가한다. 두 전극에서 일어난 반응을 합치면 전체 전지 반응이 된다.

자세히

다니엘 전지는 볼타 전지의 단점을 해결하려고 고안한 전지다. 볼타 전지는 구리와 아연 전극을 묽은 산 용액에 담근 구조다. 아연과 구리를 묽은 황산에 담그면 화학 에너지가 전기 에너지로 바뀌는 전지가 된다. 하지만 볼타 전지에서는 구리 전극 표면에 수소 기체가 생겨 전극을 덮고 전압이 떨어지는 분극 현상이 나타난다. 다니엘 전지는 두 번째 전해질을 사용해 이 문제를 해결한다.

다니엘 전지는 황산 아연 수용액에 아연 전극을, 황산 구리(II) 수용액에 구리 전극을 넣고 두 용액을 염다리나 다공성 격막으로 연결한 전지다. 아연 전극에서는 Zn(s)가 Zn²⁺로 산화되어 녹고, 구리 전극에서는 Cu²⁺가 Cu(s)로 환원되어 전극 표면에 석출된다. 반응이 진행되면 산화 전극 쪽 용액의 금속 이온은 늘고, 환원 전극 쪽 용액의 금속 이온은 줄어든다. 이온 농도 변화는 반응이 진행되는 방향과 연결된다.

볼타 전지와 다니엘 전지는 모두 외부에서 연료를 계속 공급받지 않는다. 볼타 전지는 외부에서 연료를 공급받아 전기를 생산하지 않는다. 다니엘 전지도 연료를 외부에서 계속 공급받지 않는다. 두 전지는 전극 물질이 반응하면서 에너지를 내므로, 전극이 소모되면 전지의 기능도 달라진다.