전기 분해
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Electrolysis / 電氣分解
1. 개요
산화·환원반응의 일종으로, 전기를 이용해서 물질을 분해하는 과정이다. 화학전지의 일종이며, 전해전지에 해당한다. 참고로 화학전지는 크게 갈바니 전지와 전해전지로 구분할 수 있으며, 전해전지는 전기에너지를 화학에너지로 변환하는 장치이다. 자발적으로 산화-환원반응이 일어나지 않는 경우 전기에너지를 공급해 비자발적인 반응을 이끌어내는 과정이므로, 당연하게도 전기를 공급해주어야 분해가 일어난다(참고로 전기 분해 반응은 경우에 따라서는 전지를 충전하는 과정으로 볼 수도 있다). 전기를 받아서 결합을 끊는 데 1가 이온 1㏖이 생성되기 위하여 96485.3C=1F의 전하량이 필요하다. 물론 2가 이온 1㏖이 생성되기 위해선 2F의 전하량이 필요하다. 또한 1C (1쿨롬)은 1 A의 전류가 1초간 흐른 양이다.
이러한 전기를 통한 물질의 분해가 가능한 것은 화학결합에 전자가 크게 관여하고 있기 때문이다. 분리와 헷갈리면 안 된다.[2] 좀 더 정확하게 말하자면, 분리는 물리적 과정으로 분자에 변화가 생기지 않는 과정을 말하며, 분해는 화학적 과정으로 분자에 변화가 생기는 과정을 말한다. 설탕물을 물과 설탕으로 나눠도(가열하면 설탕만 남을 것이고 물은 액화를 통해 다시 액체로 만들면 된다) 설탕물(혼합물)을 이루는 분자인 물과 설탕은 그대로 있다. 하지만 물(화합물)을 전기 분해하면 수소와 산소로 분해되며, 물이라는 분자가 수소와 산소라는 분자로 변화하기 때문에 전기 분해는 화학적 과정이라고 할 수 있다.
(+)극(anode)에서는 음이온이 전자를 잃고, 즉 산화됨으로써 물질이 나오며, 반대로 (-)극(cathode)에서는 흘러나온 전자를 양이온이 얻어, 즉 환원됨으로써 물질이 나온다.[3] 극판이 반응을 하면 원하던 반응이 일어나지 않으므로 보통 반응성이 작은 백금(Pt)이나 탄소(C)를 사용한다. 화학전지와는 반대로 (+)극에서 산화반응이, (-)극에서 환원반응이 일어나므로 헷갈리면 안 된다. 화합물의 경우는 그냥 분해가 되지만, 혼합물[4]의 경우는 이온화 경향이 작은 물질부터 분해되어 나온다. 참고로 이 반응이 일어날 때에는 전자가 아니라 이온이 이동하면서 전류가 흐른다. (+)극은 전자를 받고, (-)극은 전자를 방출하니, (-)극에서는 전기적으로 다른 극이어서 전자기력으로 이끌린 양이온이 방출되는 전자를 받고, (+)극에는 음이온이 전자를 방출하는 것이다.
2. 이온 결합 화합물의 전기 분해
이온 결합 화합물은 그 자체로는 전류가 흐르지 않기 때문에 다음과 같은 방법을 통해 이온을 분리해 전류가 흐르도록 한다.[5]
2.1. 수용액에서의 전기 분해
물에 잘 녹는 화합물을 물에 녹인 수용액에 전류를 흘려 물질을 분해한다. 물 분자를 분해하는 것이 아닌, 물에 녹인 물질을 분해하는 과정이다. 하지만 H+이온보다 이온화 경향이 큰 양이온이나 OH-이온보다 이온화 경향이 큰 음이온을 포함하는 물질이 녹아있을 경우 수소나 산소 기체가 먼저 발생한다. 예를 들면 소금(NaCl)을 물에 녹여 전기 분해 할 경우 나트륨이 수소보다 이온화 경향이 크기 때문에(양이온이 되고 싶어 하기 때문에), 수용액을 이용해 소금을 분해하는 과정이 본래의 의도로 가려면 양극에선 염소가, 음극에선 나트륨이 나와야 하지만 수소보다 양이온이 더 되고 싶어하는 나트륨이 물에 양이온으로 남고 대신 수소가 음극에서 기체로 나오게 된다. 다만, 소금까지 분해하고 싶다면, 좀 더 고전압을 걸어주면, 나트륨과 염소 기체 또한 분해해낼 수 있다. 나트륨이 수소보다 양이온이 되려는 성질이 더 강하긴 하지만, 그 차이를 극복할 정도의 더 강한 전기에너지를 걸어주면, 나트륨도 전극으로 딸려가서 전극판에 석출된다. 또한 염소 기체도 방출된다(유해한 기체이지만 시험관 하나 정도의 소량이라면 직접 흡입하지 않는 한 안전하다.)
좀 더 자세히 설명하자면 (+)극에서는 음이온과 수산화 이온 중에서 산화가 더 잘 되는(전자를 잃기 쉬운) 것이 산화되고, (-)극에서는 양이온과 수소 이온 중에서 환원이 더 잘되는(전자를 얻기 쉬운) 것이 환원된다.
자세한 내용은 이온화 경향을 참고하자.
2.2. 용융 상태에서의 전기 분해
화합물이 녹지 않거나 분해 생성물이 반응성이 높으면 용융시켜 전류를 흘려 전기 분해한다.[6] 이 방법으로 알루미늄을 분해하는 방법이 개발된 이후로 나폴레옹이 살던 시대보다 알루미늄이 수천 배 싸졌다. 자세한 내용은 알루미늄 참조.[7]
3. 물의 전기 분해
순수한 물은 전류가 '거의' 통하지 않는다. '아예'가 아니다. 왜냐하면 자체 이온화로 인해서 물속에 미량의 수소이온와 수산화이온이 존재하기 때문이다.[8] 전류가 통하려면 용액 속에 전자나 이온이 있어야 한다. 참고로 수용액 속에서 전류가 흐르는 물질인 전해질은 수용액 속에서 이온으로 해리되는 물질을 말한다. 하지만 물은 자체 이온화를 통해 이온을 만들긴 하나, 이 양은 매우 미약해 사실상 이온이 없는 거나 마찬가지이기 때문에, 수산화나트륨과 같은 전해질을 용해시켜서 전기 분해한다. 이때 사용되는 양이온은 H+이온보다 환원성이 커서는, 음이온은 OH-이온보다 산화성이 커서는 안 된다. 그렇지 않으면 전해질이 먼저 반응하기 때문.[9] 식초 같은 산성 물질도 쓸 수는 있지만 이 경우 전극이 손상되니 사용하기 곤란하다. 설비가 충분하다면 엄청나게 높은 전압을 걸어 물의 저항을 씹어먹고 전기 분해하는 방법도 있지만, 에너지 효율이 매우 나쁘기 때문에 일반적으로는 사용하지 않는다.
이때 (-)극에서는 수소, (+)극에서는 산소가 나온다. 음수양산
화학Ⅰ을 선택했다면 외우자 + 는 산 산 산 (산소 산성 산화)
3.1. 사례
핸드폰 배터리, 소금물, 샤프심, 종이컵만 있으면 학교에서도 할 수 있다.[10] << 샤프심은 탄소의 동소체 중 하나인 흑연으로 이루어져 있으며 흑연의 경우 탄소가 4개인 것에 비해 3개의 결합을 하고 있어 결합에 참여하지 않고 자유로운 전자가 한 개 남게 되고 이 전자가 전기를 통하게 한다. 좀 더 제대로 해보고 싶다면 샤프심 대신에 목탄이나 흑연 봉을 이용하고, 집게 전선을 사용하면 된다. 충분히 집에서도 해볼 만하다. (탄소가 실제로 반응성이 작고 전기 전도도가 높은지라 자주 쓰이는 전극이다. 알루미늄 산화물 (보크사이트라고 한다)용융 전기 분해와 납축 전지에 쓰이는 이유.)
수소 생산을 위해 사용이 되기도 한다.[11][12]
수능 화학에 가끔 나온다. 물의 전기 분해와 염화나트륨의 전기 분해. 최다 빈출이다. 사실 다른 게 나온 적이 전무하다. 기본적으로 양극에서 생성되는 물질과 더불어, 화학양론과 관련된 문제가 나오고, 절대절대절대 실수하지 말자. 화학Ⅱ에서도 나오는데 산염기나 평형 부분 등 다른 부분이 어렵기에 상대적으로 쉽게 느껴지며 심도 있는 이해를 하려 노력할 때 자신은 아무것도 모르지만 문제는 풀리는(?) 신기한 현상을 볼 수 있다.
4. 금속의 전기 분해
금속의 이온화 경향에 따라 전압을 조절하여 금속의 순도를 높일 수 있다. (+)극에 순도가 낮은 금속을 놓고 (-)극에 순도가 높은 금속을 연결해 해당 금속이온이 들어있는 수용액에 넣는다. 전기를 가하면 (+)극의 순도가 낮은 금속에서 이온화 경향이 높은(산화되기 쉬운) 금속은 양이온화되고 이온화 경향이 낮은 금속은 산화되지 않고 그대로 남아있는다. (-)극에서는 금속양이온이 전자를 얻고 달라붙는다. 이때 원하는 금속보다 산화성이 낮은 금속은 이온화되지 않아 양이온으로 존재하지 않고 수용액의 양이온 중 원하는 금속의 이온이 가장 환원성이 높으므로 전압을 조절하여 원하는 금속이온은 환원 가능하지만 원하지 않는 산화성이 높은(환원되기 위하여 많은 힘이 필요한) 금속은 환원 불가능한 정도의 전압을 유지하면 원하는 금속만 환원되므로 (+)극의 순도가 낮은 금속은 사라지고 (-)극에 순도가 높은 금속만 남는다. 순동이나 순금을 얻을 때 주로 사용된다.
이 방법을 이용하여 도금도 할 수 있다. 도금시킬 물체를 (-)극에 놓고 도금할 재료를 (+)극에 놓으면 마찬가지로 (+)극의 금속이 산화되어 이온이 되고 (-)극에서는 환원되는 과정을 거쳐 물체의 표면에 달라붙는다.
전기 분해라고 불리지는 않지만 완전히 동일한 원리로 녹슨 금속물체를 복원하는데 사용하기도 한다. 유튜브에서 오래되어 망가진 옛날 물건들을 복원해내는 체널에서 종종 나온다. 많은 경우 녹슨부분을 갈아내는데 그치지만 녹이 너무 심해서 깍여나갈 부분이 너무 많을 때 전기분해로 산화된 금속을 환원시키면 복원에 도움이 된다.
5. 여담
연료전지는 물의 전기 분해의 역과정이다. 간단히 말해 물에 전기에너지를 주면 수소와 산소로 분리되는데, 이를 역으로 이용해 수소와 산소를 합치면 전기에너지와 물이 나온다는 원리. 화석연료와는 달리 물을 배출하기 때문에 신재생에너지로 각광받고 있다.[13]
중수소, 삼중수소를 농축할 때 전기 분해를 사용한다. 증류수에 강염기를 첨가한 뒤, 전기 분해를 하면, 상대적으로 가벼운 수소가 중수소, 삼중수소보다 더 빨리 움직여 전극에 와서 전자를 받아서 수소 기체로 분리되는 경향이 강하므로(가벼운 수소 물이 무거운 중수소 물, 삼중수소 물보다 더 빠르게 움직이므로, 이를 활용한 것. 기체 확산 속도 차를 이용한 농축 방법과 원리 자체는 다르지 않다), 전기 분해를 어느 정도 하고 남은 물에는 중수소, 삼중수소의 농도가 처음보다 높아져 있다.
정수기 팔아먹으려는 사기꾼들이 자연스러운 전기 분해 현상을 물이 오염돼서 그렇다고 사기 치는 경우가 많았다고 한다. 뭐, 엄밀히 따지면 ‘오염’의 정의가 불순물이 섞였다는 뜻이면 맞는 말이긴 하다. 다만 섭취하면 안 될 정도로 다량이 섞이거나 유독한 게 섞이지 않았기 때문에 수돗물을 마셔도 죽지 않는 것이다. 실제로 그런 경우는 고등학교 수준의 전기분해 실험을 하면서 한쪽은 그냥 수돗물(혹은 NaOH 같은 전해질을 소량 넣은 수돗물)이고, 다른 한쪽은 순수한 증류수를 넣어서 수돗물이 오염되었습니다 빼애애애액 하는 경우일 테다. 물론 자체 이온화 성질이 있어 아예 분해가 안 되는 건 아니지만, 웬만한 전압으로는 기포가 눈에 보이지 않는다. 보통 DC 9V나 DC 12V 정도로 실험하므로, 보이지 않을 것이다. 굳이 증류수에서 기포를 관찰 하겠다면, DC 750V 정도는 필요하다. 적절히 절연처리를 해서 전극을 연결하여 증류수에 넣어주면 기포를 관찰할 수 있을 수 있을 것이다.
5.1. 창작물에서의 사례
- 미드 《CSI 과학수사대 시리즈》에서도 범인을 잡을 때 전기 분해를 이용한 사례가 있는데, 위조 금괴의 금칠을 벗겨낼 때 이용되었다.
- 《어떤 마술의 금서목록》에 나오는 미사카 시스터즈도 전기 분해를 이용해 오존을 생성하여 엑셀러레이터를 공격하는 데 활용하였다. 오리지널인 미사카 미코토 역시 능력을 이용해 물을 전기 분해하여 날개를 만드는 등 여러 가지로 응용해 사용한다.
[1] 사진의 NaOH 즉 수산화나트륨 말고도 (Na+)2 SO42-(황산나트륨) 등의 이온결합물도 분해에 사용할 수 있다. 소량이라면 소금 써도 된다. 유해한 염소 기체가 발생하긴 하지만, 최소 20% 이상 농도로 방 전체에 염소가스가 가득차게 만드는 화학탄이나 가스실 수준으로 대량을 실험할 게 아닌 이상, 시험관 하나 정도 분량의 소량의 염소 기체는 직접 흡입하지만 않으면 (환기가 잘 되는 과학실이나 개방된 공간이라는 전제하에) 대기중에 방출되어도 괜찮다. 이는 고등학교 화학1 교과서의 소금물 전기분해 실험에 나와 있는 내용이자 주의사항이다.[2] 분리는 물리적인 과정, 분해는 화학적인 과정이라고 볼 수 있다. 쉽게 말해, 분리가 콩과 쌀을 골라내거나, 설탕물을 물과 설탕으로 나누는 작업이라면, 분해는 원자 단위에서 분리를 시켜 새로운 물질을 만들어내는 과정으로, 설탕을 숯덩어리와 물로 바꿔버리는 것이다. [3] 여기서 착각하면 안되는 게, 반드시 이온결합 화합물만이 전기 분해되는 것은 아니다, 공유결합 물질이나 금속결합 물질도 전기 분해가 가능하다. 물의 전기 분해가 대표적인 예.[4] 정확히는 화합물의 혼합물[5] 물을 수소 기체와 산소 기체로 분리하기 위해서는 수산화나트륨이라는 전해질을 보통 사용한다. 왜 소금을 사용하지 않냐? 라고 물을 수 있지만 소금을 사용하면 수소 기체와 염소 기체가 발생한다. 즉 전해질은 대상 이온 결합 화합물의 각 이온보다 반응성이 높아야한다. 낮으면 소금처럼 분해가되어 산소기체아 아닌 염소기체가 발생한다. 또 전류 또한 상당히 많이 필요하다. 수소 양이온을 수소 원자 1몰 즉 22.4L로 만들기 위해서는 2몰의 전자가 필요하다. 2F 양에 해당하는 전자가 필요하다. 어느 정도의 전자가 필요하냐면 핸드폰의 충전속도(2A)로 전기 분해를 한다면 약 25시간이 걸린다. 엄청난 양의 전류를 소모한다 그래서 실험실에서는 전압을 높이는 대신 전기분해가 일어나는 셀을 수백 개씩 직렬로 연결해서 실시한다. 다음 유튜브 영상에서 실제와 가장 유사한 전기 분해 과정을 볼 수 있다. 비디오https://youtu.be/0vKBSwxYpNI [6] 용융된 상태의 이온결합 물질은 전류가 흐르는 것을 이용한다. 용융되면 이온결합이 약해지기 때문에 이온화된 원자들을 통해 전류가 흐른다.[7] 그 당시에는 알루미늄이 매우 귀해서 나폴레옹은 알루미늄 수저를 쓰고 손님에게 금수저를 주었다고 한다. 요즘으로 따지면 검소함의 극치다. [8] 물은 pH 7인데 pH가 바로 수소이온농도이다.즉 10^-7의 농도로 수소이온이 존재한다.[9] 그 때문에 염화나트륨(NaCl)을 전해질로 사용하지 않는 것이다. 물이 분해되기 전에 염소이온이 수산화이온보다 먼저 산화되어 전자를 잃고 염소 기체가 생성되기 때문이다. 표준환원전위가 낮은 염소보다 물이 환원될 거라고 예상하기 쉽지만 과전압 때문에 염소가 먼저 환원되게 된다. 그리고 잊지 마라. 염소 기체는 '''엄청나고 다이나믹하게 몸에 해롭다.''' 굳이 위험성을 설명해주자면, 염소 농도가 30~50ppm인 공기 중에서는 30~60분 정도에 인간이 사망한다. 다만, 작은 시험관 하나 정도의 극소량이라면, 직접 흡입하지 않는 한 대부분의 환기시설이 갖추어진 실험실(학교 실험실이라도 기본적인 환기장치는 구비하게 되어 있으며, 집에서 한다면 창문 다 열고 방 안의 공기가 바깥으로 빠져나가게끔 환풍기처럼 창문 앞에 선풍기를 놓고 강하게 틀어주면 된다.)에서 소금물 전기분해 정도를 하는 것은 안전하다. 위에 말한 건 어디까지나 가스실이나 화학탄 수준으로 대량을 뿌릴 때 이야기다. 웬만한 크기의 시험관으로는 5평 정도의 방에 30~50ppm의 농도로 염소 가스를 채우기는 '''대단히 어렵다.''' 그 근거로, 절대로 노란 염소 기체를 직접 흡입하지 말라는 경고 문구와 함께, 소금물 전기분해 실험을 하는 방법이 고등학교 화학1 교과서에 나온다. '''염소가 정말 청산가리마냥 마이크로그램 단위의 극소량에도 사망할 정도의 극도로 위험한 기체라면 고등학교 화학 교과서에 실험방법을 싣을 리가 없잖는가.''' 엄밀히 말하면, '''양도 소량이지만, 방출되는 대기의 부피가 시험관 하나 정도와는 비교불가할 정도로 어마어마하게 크므로 매우 연한 농도로 희석되어 안전해지는 것이다.''' 그러니까 이 글만 보고 염소 기체가 든 실험관에 코박고 직접 흡입하는 '''미친 짓은 하지 말자.'''[10] 참고로 휴대전화 배터리의 금속 부분에 샤프심 2개를 대고 그 끝을 붙이면 전기가 통해 뜨거워진다. 주의할 점은 이렇게 샤프심이 뜨거워지면 샤프심이 녹는데 이 녹은 물이 배터리의 금속 부분에 닿으면 배터리를 못 쓸 수가 있다! 따라서 적당히 9V짜리 전지를 구해서 전선으로 연결하는 것이 훨씬 안전하다. 다만 휴대폰 배터리보다 구비 가능성이 적으니...[11] 공상과학 소설 《마션》에서도 수소 생산을 목적으로 사용되었다.[12] 물론 실험실 수준이다. 수소연료전지차 등을 위한 상업성은 없다. 분해를 위한 에너지가 생산된 수소가 낼 수 있는 에너지보다 많다. 당연한 일인데 열역학적으로 생각해 봤을 때 투입한 에너지보다 더 많은 에너지가 튀어나올 수는 없다. 이런 식으로 이용한다면 수소는 전기를 저장하는 용도로 쓰는 거다. 동시에 경제적인 수소 생성법이 상용화되기 전까지 수소 연료가 시기상조인 이유 중의 하나가 된다. 석유값이 아무리 올랐다고는 하나, 물을 전기 분해해서 얻는 수솟값보다 현재 주된 수소 생성 방법인 석유에서 수소를 분리하는 것이 넘사벽으로 싸다. 워낙 차이가 많이 나서 석유가 지금보다 10배쯤 가격이 더 오른다고 해도 마찬가지일 정도로 여유가 있다. 반대로 전기가 싸지는 방법을 생각해도 마찬가지인데, 원자력 발전량을 현재보다 넘사벽으로 늘려버린다면 또 모를까 아니 차라리 그러면 그냥 배터리를 늘리는 게 효율이 좋다. 방사능 후처리 비용 등의 문제로 되레 원자력을 줄이는 추세를 생각해 보면 억지로라도 풍력 등 효율이 떨어지는 친환경 발전량이 더 늘어날 수밖에 없는 미래를 생각하면 전기는 비용이 더 늘어날 수밖에 없어서 새로운 생성 방법이 상용화되지 않는다면 수소 연료는 일상에 사용되지 않을 것이다. 물론 가능성이 아예 없는 건 아니다. 광촉매라는 게 있긴 하다. 티타늄#s-1.5 참조.[13] 물론 전기 분해를 통해 만든 수소로 하면 뻘짓. 에너지 상당수를 열로 날려먹게 된다. 기껏해야 양수 발전처럼 저녁에 남아도는 전기를 잠시 보관하는 게 아니면 수소를 생성하기 위해 전기 분해를 하는 건 에너지 낭비다(당신 집에 들어오는 전기 중 일부는 화력발전이다).