seegongsik
고등학교 2~3학년 (16-18세)

전기화학

Electrochemistry

건전지 속에서는 전자를 잘 내놓는 금속과 전자를 잘 받는 이온이 도선을 사이에 두고 떨어져 있어서, 전자가 도선을 따라 흐르는 동안 전구를 켤 수 있어요. 이처럼 자발적인 산화 환원 반응에서 전류를 얻는 장치가 갈바니 전지이고, 두 전극의 표준 환원 전위 차이로 기전력을 계산해요. 거꾸로 외부 전원으로 전자를 밀어 넣어 저절로는 일어나지 않는 반응을 일으키는 것이 전기 분해이며, 흘려 준 전하량으로 석출되는 물질의 양을 구할 수 있어요. 위 그림에서 산화극 금속을 바꾸면 기전력이 달라지고, 아래 그림에서는 황산 구리 수용액의 전기 분해를 갈바니 전지와 비교할 수 있어요.

전자의 흐름이 전기를 만든다

💡 물레방아에 빗대면
①높은 곳의 물이 낮은 곳으로 흐르며 물레방아를 돌리듯, 전자는 내놓으려는 쪽에서 받으려는 쪽으로 흐르며 일을 한다
②아연은 전자를 잘 내놓고 구리 이온은 전자를 잘 받는다. 둘을 도선으로 이으면 전자가 아연에서 구리 쪽으로 흐른다
③두 전극이 전자를 받으려는 정도의 차이가 클수록, 물의 낙차가 클 때처럼 기전력이 크다
④건전지와 휴대 전화 배터리는 갈바니 전지이고, 도금과 구리 정련은 전기 분해다

갈바니 전지

Zn | Cu
🔍 전지 안에서 일어나는 일
①산화극(−)의 금속 M 이 전자 2개를 내놓고 M²⁺ 로 녹아 나간다. 산화다
②그 전자가 도선을 따라 환원극(+)인 구리 전극으로 간다
③환원극에서는 용액의 Cu²⁺ 가 전자를 받아 구리로 석출된다. 환원이다
④염다리의 K⁺ 는 Cu²⁺ 가 줄어드는 환원극 쪽으로, NO₃⁻ 는 M²⁺ 가 늘어나는 산화극 쪽으로 움직여 두 용액의 전하 균형을 맞춘다. 염다리를 빼면 전류가 곧 멈춘다
⑤산화극 금속을 Mg 로 바꾸면 기전력이 2.71 V, Pb 로 바꾸면 0.47 V 다. 전자를 내놓으려는 경향이 큰 금속일수록 기전력이 크다

표준 전극 전위

기전력 계산
E°cell = E°환원극 − E°산화극
표준 환원 전위가 큰 쪽이 환원극(+), 작은 쪽이 산화극(−)이 된다

표준 환원 전위

표준 환원 전위 (25 ℃)
환원 반쪽 반응E° (V)
F₂ + 2e⁻ → 2F⁻+2.87
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu+0.34
2H⁺ + 2e⁻ → H₂ (SHE)0.00
Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb−0.13
Fe²⁺ + 2e⁻ → Fe−0.44
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn−0.76
Mg²⁺ + 2e⁻ → Mg−2.37
Li⁺ + e⁻ → Li−3.04
💡 전위표 읽는 법
①E° 가 클수록 환원되기 쉽다. 전자를 잘 받는다
②E° 가 작을수록 그 금속이 산화되기 쉽다. 전자를 잘 내놓는다
③표에서 두 반쪽 반응을 고르면 위쪽이 환원극, 아래쪽이 산화극이 되고, 기전력은 두 값의 차이다
④Zn–Cu 전지는 0.34 − (−0.76) = 1.10 V 다
⑤모두 표준 수소 전극(SHE)을 0.00 V 로 정한 상대값이다

전기 분해

패러데이 법칙
m = MItnF
m: 석출 질량, M: 몰 질량, I: 전류, t: 시간, n: 이온 1개가 주고받는 전자 수, F: 96500 C/mol (전자 1 mol 의 전하량)

갈바니 전지 vs 전기 분해

두 장치의 비교
항목갈바니 전지전기 분해
에너지 변환화학 에너지 → 전기 에너지전기 에너지 → 화학 에너지
자발성자발적 (E° > 0)비자발적 (외부 전원 필요)
산화극(−) 음극(+) 양극
환원극(+) 양극(−) 음극
응용건전지, 연료 전지도금, 구리 정련

예제로 익히기

예제 1
Zn-Cu 갈바니 전지의 표준 기전력 E°cell을 구하시오. (E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 V, E°(Zn²⁺/Zn) = −0.76 V)
1
표준 환원 전위가 큰 Cu 가 환원극(+), 작은 Zn 이 산화극(−)이다.
E°cell = E°환원극 − E°산화극
2
두 값을 넣는다.
E°cell = 0.34 − (−0.76) = 1.10 V
▸ 1.10 V
E° > 0 이므로 반응이 저절로 일어나 전지로 작동한다. 위 그림에서 산화극을 Zn 으로 두었을 때의 값과 같다.
예제 2
CuSO₄ 수용액을 2 A 의 전류로 5분(300초) 동안 전기 분해할 때 (−)극에 석출되는 Cu 의 질량은? (Cu 의 몰 질량 64 g/mol, F = 96500 C/mol)
1
흘려 준 전하량은 전류 × 시간이다. Cu²⁺ 하나가 Cu 가 되려면 전자 2개가 필요하므로 n = 2 다.
m = MItnF, It = 2 × 300 = 600 C
2
값을 넣어 계산한다.
m = 64 × 6002 × 96500 ≈ 0.199 g
▸ 약 0.20 g
전하량 600 C 는 전자 600 ÷ 96500 ≈ 0.0062 mol 이고, 그 절반인 약 0.0031 mol 의 Cu 가 석출된다. 석출량은 전하량에 비례하고 n 에 반비례한다.

총정리

핵심 공식
E°cell = E°환원극 − E°산화극
E° > 0 이면 반응이 저절로 일어나 전지로 쓸 수 있다
수능 유형 변형
갈바니 전지와 전기 분해에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
①갈바니 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾼다
②갈바니 전지에서 산화극은 (−)극이다
③전기 분해는 외부 전원이 필요한 비자발 반응이다
④전기 분해에서 산화극은 (−)극이다
⑤두 장치 모두 산화극에서 산화, 환원극에서 환원이 일어난다
▸ ④ 전기 분해에서 산화극은 (−)극이다
1
전기 분해에서는 전원의 (+)극에 연결한 전극에서 전자를 빼앗기므로, 그 전극이 산화극이고 (+)극이다.
2
따라서 ④ 「전기 분해에서 산화극은 (−)극이다」 가 옳지 않다. 산화극이 (−)극인 것은 갈바니 전지다.
🎯 시험 포인트
①E°전지 = E°환원극 − E°산화극이고, 표준 환원 전위가 큰 쪽이 (+)극이다
②갈바니 전지는 자발 반응이고, 산화극이 (−)극, 환원극이 (+)극이다
③전기 분해는 비자발 반응이고, 전원의 (+)에 연결한 전극이 산화극, (−)에 연결한 전극이 환원극이다. 부호가 갈바니 전지와 반대다
④패러데이 법칙: m = MIt / nF
⑤어느 장치든 산화는 산화극에서, 환원은 환원극에서 일어난다
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생명 현상의 특성

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