전기분해는 산업계가 땅에서 캐낼 수 없는 물질들을 만드는 방법이다. 알루미늄은 전해조에서 그 산화물로부터 얻어지고, 염소와 수산화나트륨은 소금물을 전기분해하여 만들어지며, 크롬 도금이나 아연 도금된 모든 표면은 한때 회로의 일부였던 전극이다. 이 실험실의 방식 — 물을 수소와 산소로 분해하는 것 — 역시 가장 큰 미래를 가진 방식이다. 이는 풍력 및 태양광 발전의 잉여 전력이 수소로 저장되는 경로이며, 연료전지가 그 에너지를 다시 방출하기 위해 역으로 구동하는 것과 같은 반응이다.
물은 안정적이며, 그것이 바로 난제이다. 물의 생성 자유에너지는 몰당 −237 kJ이므로, 물을 분해하는 데는 최소한 그만큼의 일이 필요하며, 여기서는 전기 에너지의 형태로 공급된다. 전지는 이 작업을 두 전극에 나누어 수행함으로써 이를 달성한다. 음극에서는 수소 이온이 전자를 받아 수소 기체로 방출되고, 양극에서는 물 분자가 전자를 내놓고 산소로 방출된다. 어떤 반응이 일어나려면 두 가지 조건을 충족해야 한다. 순수한 물은 거의 전도성이 없으므로 용액이 전도를 할 수 있어야 하며, 따라서 전해질이 첨가되어야 한다. 그리고 인가된 전압은 열역학적 최솟값인 1.23 V를 초과해야 한다. 어떤 전해질을 선택하느냐는 그 양만큼이나 중요하다는 것이 밝혀지는데, 잘못된 전해질은 물 대신 산화되어 전지가 전혀 다른 기체를 생성하게 되기 때문이다.
이 실험실에서 여러분은 직접 전지를 만들게 됩니다. 물이 채워진 두 개의 시험관이 1리터 비커 안의 두 전극 위에 거꾸로 세워지고, 직류 전원에 연결됩니다. 물이 전도를 잘 하도록 황산이 첨가되며, 전류를 약 1분간 흘려주면 각 시험관에 모이는 기체가 그 위의 물을 밀어내어 두 부피를 직접 비교할 수 있게 됩니다. 그런 다음 각 시험관은 고전적인 테스트(산소는 불씨를 갖다 대고, 수소는 불을 붙인 성냥개비를 갖다 대는 것)를 통해 확인되며, 음극 쪽의 시험관에는 다른 쪽보다 두 배 많은 기체가 모였으며 두 기체가 정반대로 반응한다는 결과를 얻어야 합니다.
교육 목표
전기분해의 원리
- 전기적 에너지를 이용하여 스스로 일어나지 않는 반응을 유도하는 과정을 전기분해(electrolysis)라고 합니다. 외부 전원(배터리나 직류 전원장치)을 사용하여 화학 반응이 진행되도록 억지로 에너지를 공급하는 것입니다. 예를 들어, 물의 전기분해 과정에서는 전기에너지가 물(H₂O) 분자에 작용하여 열역학적으로 비자발적인 산화-환원 반응을 일으킵니다. 이때 음극에서는 물이 환원되어 수소 기체가 생성되고, 양극에서는 물이 산화되어 산소 기체가 생성됩니다. 전체 반응식은 다음과 같습니다: 2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)2O → 2 H2 + O2.
- 셀이 요구하는 최소 전압과 그 숫자가 어디에서 유래되었는지 명시하시오.
지정된 전극에서의 산화 및 환원
- 각 전극에서 일어나는 반쪽 반응을 쓰고, 양극(anode)과 음극(cathode)이라는 용어를 올바르게 사용하여 어느 것이 산화이고 어느 것이 환원인지 식별하시오.
- 외부 회로를 통한 전자의 경로와 용액을 통한 이온의 경로를 추적하고, 왜 두 경로가 반드시 같은 전류를 운반해야 하는지 설명하시오.
시각화된 화학량론
- 튜브들을 비교하기 전에 균형 잡힌 반응식으로부터 2대 1 부피비를 예측하고, 질량은 직접 비교할 수 없는 반면 기체의 부피는 직접 비교할 수 있는 이유를 설명하시오.
- 패러데이 법칙을 이용하여 통과된 전하량을 생성된 기체의 양과 연관시키십시오.
전해질의 선택
- 순수한 물은 이온화도가 매우 낮아 전류가 거의 흐르지 않기 때문에 유용하게 전기분해할 수 없습니다. 이때 산은 이온을 공급하여 전류가 잘 흐르도록 돕는 도체 역할을 하며, 반응 과정에서 소모되지 않고 전체적으로 재생되므로 반응물로 작용하지 않습니다.
- 물 대신 어떤 이온이 방전될 수 있는지 물어보아 후보 전해질들을 비교하고, 잘못된 이온이 선택될 경우 전지에서 무엇이 생성될 것인지 말하십시오.
제품 식별하기
- 두 가지 고전적인 기체 시험을 수행 및 해석하고, 각 결과가 무엇을 확증하는지 뿐만 아니라 무엇을 배제하는지 기술하시오.
- 산소는 연소를 돕는 산화제 역할을 하여 꺼져가는 불씨를 다시 타오르게 하는 반면, 수소는 그 자체가 탈 수 있는 연료이지만 밀폐된 공간이나 불씨 주변에 고농도로 존재할 경우 주변의 산소를 밀어내어 산소 부족으로 불씨를 꺼지게 합니다.
조립 및 안전
- 전원장치, 두 개의 전선, 그리고 극성이 올바른 두 개의 전극을 사용하여 셀을 조립하고, 내부에 공기가 갇히지 않도록 전극 위에 액체로 채워진 관을 거꾸로 뒤집어 씌우십시오.
- 동일한 실험에서 묽은 강산, 활성 회로, 그리고 가연성 가스를 다루고, 왜 수소 테스트를 아래로 향한 시험관에서 소량으로 진행하는지 설명하시오.
프로토콜
파트 A: 물의 전기분해
- 보편적 클램프를 오른쪽에 있는 두 개의 보편적 지지대에 각각 하나씩, 바닥에서 약 20cm 떨어진 곳에 부착하십시오.
- 비커에 수돗물을 1L 채우세요.
- 1L 비커를 2개의 지지대 중앙에, 2개의 클램프 아래에 놓으시오.
- 두 시험관을 수돗물로 가득 채우세요.
- 시험관의 구멍에 마개를 막으시오.
- 두 개의 시험관을 1L 비커에 담긴 물에 꽂히도록 뒤집어서 범용 클램프에 고정합니다 (시험관의 입구는 항상 물 속에 잠겨 있어야 함).
- 시험관을 클램프에 부착한 후, 개구부에서 스토퍼를 제거합니다. 공기 방울이 상단에 끼어 있지 않은지 확인하십시오.
- 각 시험관에 전극을 부착하십시오: 양극(빨간색 전극)은 시험관 1에, 음극(검은색 전극)은 시험관 2에 부착하십시오.
- 전류 발생기 앞에 빨간색 전선 1개와 검은색 전선 1개가 있습니다.
- 빨간색 도체선의 편평한 부분을 전류 발생기의 양극 단자(오른쪽의 빨간색 단자)에 연결하고, 다른 쪽 끝(악어 클립)을 시험관 1의 전극에 연결하십시오.
- 검은색 도체선의 평평한 부분을 전류 발생기의 음극 단자(왼쪽 검은색 단자)에 연결하고, 나머지 끝(악어 클립)은 시험관 2의 전극에 연결하십시오.
- 메스실린더를 사용하여 황산 15 mL를 측정합니다.
- 눈금 실린더의 내용물을 1L 비커에 부으시오.
- 유리봉을 사용하여 몇 초 동안 모든 것을 섞으세요.
- 현재 발전기를 켜십시오. 스톱워치를 시작하십시오.
- 약 1분 동안 반응을 진행하십시오. 스톱워치를 멈추십시오.
- 발전기를 끄세요.
파트 B: 제품 분석
- 왼쪽 유니버설 지지대에 베이스에서 약 40cm 떨어진 곳에 클램프를 부착하십시오.
- 전극과 악어 클립을 담긴 시험관에서 분리하십시오.
- 시험관 1을 물에서 꺼내 항상 거꾸로 뒤집은 상태로 하고, 아래 비커로 잔여 액체가 흘러 들어가도록 하십시오. 그런 다음 집게를 사용하여 시험관을 거꾸로 왼쪽 스탠드에 고정하십시오.
- 나무 막대에 불을 붙인 다음, 흔들어서 불꽃을 끄고 붉은 숯불처럼 은은하게 타오르게 하세요.
- 스플린트를 시험관 1에 가까이 가져가되, 시험관 입구를 아래로 향하게 하고 시험관 벽에 닿지 않게 나무 스플린트를 빠르게 집어넣으세요.
- 두 번째 나무 조각에 불을 붙이되 불꽃을 꺼지지 않게 하고, 시험관 1 (양성)의 입구 가까이 가져가서 시험관 벽에 닿지 않도록 시험관 안으로 재빨리 넣으십시오.
- 시험관 1번을 금속 시험관대에 다시 놓고, 맨 위 오른쪽 선반에 올려두세요.
- 2번 시험관(음성)으로 18~22단계를 다시 하십시오.
- 관측 결과는 결과 표에 있습니다.
- 오른쪽 카운터에 있는 회수 비커에 액체를 비우고, 사용한 나무 조각은 폐기물 용기에 버리십시오.
예상 결과
발전기를 켠 지 몇 초 안에 두 전극 모두에 기체가 나타나며, 거꾸로 세워진 관 안으로 떠올라 그 안의 물을 밀어냅니다. 음극 쪽의 관은 다른 쪽보다 대략 두 배 더 빠르게 채워지며, 두 기체는 반대되는 방식으로 두 가지 시험에 반응합니다.
| 시험관 | 전극 | 포집된 가스 | 상대 거래량 | 빛나는 숯불 | 불붙인 성냥개비 |
|---|---|---|---|---|---|
| 시험관 1 | 양극, 적색 (애노드) | 산소, O2 | 1권 | 불길이 다시 살아난다 | 더 밝게 타오른다 |
| 시험관 2 | 음극, 흑색 | 수소, H2 | 2권 | 외출하다 | 날카로운 팝 소리 |
두 개의 반쪽 반응과 1.23 V가 유래된 곳
산성 용액에서 음극은 수소 이온을 환원시킵니다, 2 H+(수용액) + 2 e− → H2(g), E° = 0.00 V이고, 양극에서 물이 산화됩니다, 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e− E° = +1.23 V. 전자가 상쇄되도록 첫 번째 반응식을 2배로 한 후 두 반응식을 더하면 2 H가 됩니다.2O → 2 H2 + O2 E°와 함께세포 = 0.00 − 1.23 = −1.23 V. 음의 부호는 반응이 자발적으로 일어나지 않음을 의미하며, 1.23 V는 이를 강제로 일으킬 수 있는 최소한의 전압입니다.
그 숫자는 열역학적으로 확인할 가치가 있는데, 두 경로가 일치해야 하기 때문이다. ΔG = −nFE는 산소 1몰당 4 × 96,485 C/mol × 1.23 V = 475 kJ을 제공하며, 이는 수소 1몰당 237 kJ이다. 그리고 액체 상태의 물의 표준 생성 깁스 자유에너지는 −237.1 kJ/mol이다. 전지 전압과 열역학 표는 두 가지 방식으로 쓰인 동일한 사실이다.
그로부터 두 가지 개선 사항이 도출된다. 첫째, 최소 전압은 산도에 의존하지 않는다. pH를 낮추면 두 반쪽 반응 모두 H를 포함하기 때문에 pH 단위당 동일하게 -0.0592 V만큼 이동하기 때문이다.+ 전자가 차지하는 비율과 같아서, 그 전압 차이는 1.23V로 일정하게 유지됩니다. 산은 전지가 전도성을 갖도록 만들 뿐, 반응을 더 쉽게 만들지는 않습니다. 둘째, 1.23V는 주변 환경이 엔트로피 항을 열 형태로 공급할 경우에 적용되는 수치입니다. 대신 전지가 열적으로 자급자족해야 하는 경우, 전압은 전체 엔탈피를 커버해야 합니다: E티엔 = ΔH/nF = 285 800 / (2 × 96 485) = 1.48 V. 이 값보다 낮으면 작동 중인 전지는 스스로 냉각되고, 이 값보다 높으면 전지가 가열됩니다 — 그리고 모든 실제 전지는 과전압 때문에 이 값보다 높은 상태로 작동합니다.
과전압은 학교 전원 공급 장치가 1.3V가 아니라 6V 또는 12V로 설정되는 이유입니다. 전극에서 산소를 얻으려면 4개의 전자, 4개의 결합 절단, 그리고 O-O 결합 생성 과정이 필요하며, 이 메커니즘은 느립니다. 반응이 유용한 속도로 진행되도록 하려면 열역학적 값보다 몇 십분의 1볼트 초과되는 전압을 공급해야 합니다. 수소 발생은 훨씬 더 쉽고 비용이 적게 듭니다. 용액 자체의 저항을 더하면, 이러한 실제 전해조는 전극 한 쌍당 약 1.8~2.0V에서 작동합니다. 전해조 양단의 실제 전압을 측정하여 이를 1.23V와 비교하는 수업은 오류를 범한 것이 아니라 과전압을 측정한 것입니다.
마지막으로, 산이 어떤 작용을 하는지 주목해 보세요 아니오 그렇습니다. 양극에서는 산소 분자 하나당 수소 이온 네 개가 생성되고, 음극에서는 수소 분자 두 개당 수소 이온 네 개가 소비되므로, 반응이 끝날 때 황산의 농도는 시작 시점과 정확히 동일합니다. 황산은 반응물이 아니라 전도 촉매 역할을 하므로, 장비 목록에는 물 1리터당 15mL만 기재되어 있습니다.
가스를 얼마나, 그리고 얼마나 빨리
패러데이 법칙은 전하를 물질로 변환합니다: n = It/(zF). 여기서 z는 분자당 전자 수로, 수소는 2개, 산소는 4개입니다. 25 °C와 대기압에서 기체 1몰은 24.45 L를 차지하므로, 1암페어의 전류가 1분 동안 흐르면 60 C이 통과하여 60 / (2 × 96 485) = 3.11 × 10−4 수소의 몰, 즉 1암페어-분당 수소 7.6 mL 및 산소 3.8 mL. 그 단 하나의 규칙이 이 실험실에 대한 대부분의 정량적 질문에 답해 줍니다. 프로토콜에서 허용하는 60초 안에 20mL 시험관을 수소로 채우려면 약 2.6A가 필요하며, 2V 전압에서는 5W를 약간 넘는 수준이 됩니다. 따라서 낮은 전류나 짧은 작동 시간은 시험관을 완전히 채우기보다는 각 시험관에 몇 밀리리터 정도의 수소를 생성하게 하므로, 시험관들이 가득 차기를 기대하기보다는 서로 비교해야 합니다.
| 수량 | 가치 | 그것이 어디서 유래하는지 |
|---|---|---|
| 혼합 후 전해질 | 0.0148 몰/L H2그래서4 | 1.0 M 용액 15 mL를 1.015 L로 희석 |
| [H+] 및 pH | 0.020 mol/L, pH 1.69 | 첫 번째 양성자 완료, 두 번째는 K와 함께a2 = 1.2 × 10-2 |
| 도금액의 전도도 | 약 0.85 mS/cm | λ°c의 합, 주로 350 S·cm2H의 /mol+ |
| 순수한 물에도 같은 수치가 적용됩니다. | 5.5 × 10-5 mS/cm | 1만 5천 배의 요인 — 산이 필요한 이유 |
| 열역학적 최소 전압 | 1.23 V | 두 표준 전극 전위의 차이 |
| 수소 1몰당 에너지 | 최소 237 kJ | ΔG = nFE = 2 × 96 485 × 1.23 |
| 열중성 전압 | 1.48 V | ΔH/nF = 285 800 / (2 × 96 485) |
| 암페어분당 생성되는 가스량 | 7.6 mL H2, 3.8 mL O2 | n = It/zF 이고, 25 °C에서 V = nRT/P 이다. |
| 20 mL 튜브를 H로 채우기 위한 전류2 60초 안에 | 약 2.6 A | 거꾸로 읽어도 같은 규칙 |
| 2.0V의 작동 전압에서의 효율 | 74 %에 대하여 | 수소의 고위발열량 기준 1.48 / 2.0 |
왜 산이며, 왜 하필 이 산인가
순수한 물은 단지 10개만 포함하고 있습니다−7 각 이온의 mol/L이며 여기서 준비된 목욕보다 약 1만 5천 배 더 저조하게 전도합니다. 그것으로 만든 전지는 어떤 전압이 가해지더라도 전류가 거의 흐르지 않을 것입니다. 황산은 전극 사이에서 전류를 전달하는 이동성 이온을 공급하며, 다른 어떤 산보다 그것이 작용하는 특성 때문에 선택됩니다. 아니오 하다 황산염 이온은 물보다 산화되기 훨씬 어렵습니다(수소 표준 전극 전위 +1.23 V 대비 +2.01 V)., 따라서 이 물질은 반응에 참여하지 않으며, 물은 양극에서 산화되는 유일한 종으로 남게 됩니다. 또한 이 산은 음극에서 환원되는 수소 이온을 공급하며, 위에서 보인 바와 같이 소비되는 양만큼 정확히 재생됩니다.
왜 염산을 사용하지 않는가? 전해질의 선택에 따라 생성되는 물질이 결정됩니다. 산이 염화물 이온을 공급했다면, 염화물은 물과의 경쟁 속에서 양극에서 산화될 것입니다 (2 Cl− → Cl2 + 2 e−), 그리고 그 전극에서는 산소 대신 염소가 방출됩니다. 이는 불을 다시 붙이는 대신 불씨를 꺼뜨리는 유독성 가스입니다. 물의 산화가 열역학적으로 유리하지만(+1.36 V에 대해 +1.23 V), 산소 발생은 염소 발생보다 훨씬 더 큰 과전위가 필요하므로, 실용적인 전류 밀도에서는 염화물이 우선적으로 방전됩니다. 이것은 염알칼리 공업이 염수로부턴 염소를 생산할 수 있게 하는 것과 동일한 원리입니다. 따라서 물의 전기분해에 적합한 전해질은 그 이온들이 물 자체보다 방전되기 더 어려운 것들, 즉 황산염, 질산염 또는 과염소산염이 수소, 나트륨 또는 칼륨과 짝을 이룬 것입니다.
두 가지 확인 검사
이 시험들은 각 가스가 한 시험에서는 양성 반응을, 다른 시험에서는 음성 반응을 보이도록 선정되었으며, 바로 이 점이 이 두 가지 조합을 단순한 ‘추정’이 아닌 ‘확실한’ 결론을 내릴 수 있게 해줍니다. 1번 시험관에서는 타오르던 불씨가 다시 불이 붙습니다. 이는 100 %에 가까운 온도의 산소가 숯조각이 타던 공기의 5배나 더 풍부하고, 불씨 자체의 잔열만으로도 연소를 재개하기에 충분하기 때문입니다. 이 가스는 그 자체로는 연료가 아니므로, 이미 불이 붙은 숯조각은 단순히 더 밝게 타오를 뿐입니다. 2번 관에서는 불씨가 꺼집니다. 수소는 산화제가 아니라 연료이며, 불씨가 필요로 하는 공기를 밀어내기 때문입니다. 하지만 관 입구에서 공기와 혼합된 수소에 불꽃이 점화되어, 좁은 공간에서 수 밀리초 만에 타면서 특유의 ‘펑’ 하는 소리를 냅니다. 1번 관에서 ‘펑’ 소리가 났다고 보고하거나 2번 관에서 불씨가 다시 타올랐다고 보고하는 학생은 관을 바꿔 꽂았거나 극성을 반대로 연결한 것입니다.
종합해 보면, 시험들과 부피 비는 세 가지 독립된 방향에서 물의 구성 성분을 확정해 줍니다. 어떤 기체가 어느 전극에 있는지, 어떤 비율인지, 그리고 어떤 화학적 성질을 가지는지 하는 것입니다. 그것은 세 가지 중 어느 하나만으로는 얻을 수 없는 더 강력한 결론이며, 프로토콜이 명백해 보이는 각 시험관에 대한 하나의 시험 대신 두 시험관 모두에 대해 두 시험 모두를 요구하는 이유입니다.
학년별 과제 요약
9~10학년
집중하세요. 전기분해란 무엇이며, 어떤 전극에서 어떤 기체가 발생하고, 각각을 어떻게 확인하는지.
활동. 빨간색 리드는 양극에, 검은색 리드는 음극에 연결하여 셀을 조립하고 기포가 어디에 발생하는지 기술하십시오. 어느 관이 더 빨리 채워지는지 그리고 대략 어느 정도인지 기록하십시오. 두 관에 대해 두 가지 테스트를 모두 수행하고 네 가지 결과를 표로 정리한 다음, 표를 사용하여 각 관의 기체 이름을 지정하십시오. 전체 반응식을 작성하고, 두 배의 기체가 들어 있는 관이 왜 수소 관이어야 하는지 한 문장으로 설명하십시오.
11학년
집중하세요. 반 반응, 화학량론 및 전해질의 역할.
활동. 각 전극에서의 반쪽 반응식을 작성하고, 전자를 균형 있게 맞춘 뒤 이를 결합하여 전체 반응식을 구하고 산화와 환원을 식별하시오. 산이 필요한 이유를 설명하고, 생성되고 소모되는 수소 이온의 수를 세어 산이 소모되지 않음을 보이시오. 1리터의 물에 희석된 후의 산의 농도를 계산하시오. 전류와 시간이 주어졌을 때, 패러데이 법칙을 사용하여 각 기체의 부피를 예측하고, 그 예측값을 관 모양 관찰 부피와 비교하시오.
12학년 / 대학교 수준
집중하세요. 세포 열역학, 동역학 및 효율.
활동. 두 개의 표준 전위로부터 최소 셀 전압을 유도하고, 물 생성의 표준깁스에너지($\Delta G^\circ$)를 통해 이를 독자적으로 확인하며, 그 결과가 전해질의 pH에 의존하지 않음을 보여라. $\Delta H$로부터 열중립 전압을 계산하고 반응의 엔트로피 측면에서 두 수치의 차이를 설명하라. 1.23 V와 실제 셀에 필요한 전압 사이의 격차를 과전압과 오믹 손실로 구분하여 설명하고, 산소 전극이 전자의 거의 대부분을 부담하는 이유를 설명하라. 황산염과 염화물의 표준 전위를 사용하여 전해질 선택을 정당화하고, 열역학적으로 유리한 생성물이 소금물(염수)에서 얻어지는 생성물이 아닌 이유를 설명하라. 마지막으로, 전기를 수소로 저장하고 연료전지에서 이를 회수하는 왕복 효율을 추정하고, 어떤 단계가 손실을 주도하는지 말하라.
실험실 필수품
악기
- 비커 (1000 mL)
- 회수용 비커
- 직류 전원 장치 (전류 발생기)
- 악어 클립이 달린 전선, 빨간색 하나 검은색 하나
- 전극 × 2
- 유리봉
- 눈금실린더 (25 mL)
- 범용 스탠드 3개, 각각 클램프 1개 포함
- 마개 있는 시험관 2개
- 금속 시험관 랙
- 스톱워치
- 나무 성냥과 불을 켤 수 있는 도구
- 사용한 부목 폐기용기
제품
- 수돗물 (비커용 1 L, 그리고 두 시험관을 채우기에 충분한 양)
- H2그래서4 1.0 M (용액, 15 mL)