오리너구리가 알려주는 전기화학-세 번째 이야기

안녕하세요!! 오늘은 갈바니 전지와 전해 전지의 전류-포텐셜 그래프에 대해서 살펴보도록 해요. 오늘 내용이 많지 않은 만큼, 큰 부담 없이 읽을 수 있을 것이라고 생각해요. 그럼 시작해보도록 합시다.

자발적인 반응과 전위차

두 번째 글에서 설명했듯이, 갈바니 전지에서는 자발적인 반응이 일어나고, 전해 셀에서는 비자발적인 반응이 일어납니다. 그러면 자발적인 반응과 포텐셜은 어떻게 연결이 되어 있을까요? 먼저, 간단한 예시를 한번 생각해보도록 해요. 지면에서 약 10m 높이에 공을 손으로 들고 있다고 가정합시다. 손을 놓는다면 공은 자연스럽게 바닥으로 떨어집니다. 즉, 중력 포텐셜이 감소하는 것이 자발적인 현상이라고 볼 수 있습니다. 반면에, 공을 더 높이, 예를 들어 20m, 30m까지 올릴 경우, 외부에서 일을 통해서 중력 포텐셜을 높여줘야 합니다. 갈바니 전지는 공이 지면으로 떨어지는 것과 유사하다고 할 수 있고, 전해 전지는 공을 더 높은 높이를 올리는 것으로 비교할 수 있습니다. 제가 전기화학에서의 포텐셜은 전위라고 생각해도 된다고 앞서 언급한 적이 있습니다. 그렇다면, 자발적인 반응일 경우, 양극과 음극 사이의 전위차는 어떻게 변할까요? 전위차가 줄어듭니다. 반대로, 비자발적인 반응일 경우, 전위차가 증가한다는 것을 쉽게 알 수 있을 겁니다.  

갈바니 전지의 전류-포텐셜(i-E) 그래프

갈바니 전지는 양극과 음극 사이의 도선을 연결할 경우, 자발적으로 전류가 흐르면서 양극과 음극 사이의 전위차가 줄어듭니다. 이때, 양극에서는 환원 전류(Cathodic current or Reduction current)가 일어나고, 음극에서는 산화 전류(Anodic current or Oxidation current)가 일어납니다. 자발적인 반응이 되기 위해서는 아래 그림과 같이 전위가 높은 전극이 양극이 되어야 하고, 전위가 낮은 전극이 음극이 되어야 전류가 흐를 때 전위차 줄어드는 것을 확인할 수 있습니다. 전위차가 점점 줄어들어 0이 된다면, 더 이상 전류가 흐르지 않습니다.

<그림1> 갈바니 전지의 i-E 그래프 예시. 빨간 선이 양극, 파란 선이 양극이다. 자발적인 반응이 일어나면 보라색 화살표대로 전류가 흘러 전위 차가 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

 

전해 전지의 전류 포텐셜(i-E) 그래프

그렇다면 전해 전지는 어떨까요? 외부에서 에너지를 가할 경우, 마찬가지로 양극에서는 환원 전류, 음극에서는 산화 전류가 흐릅니다. 전해 전지는 비자발적인 반응이므로, 두 전극 사이의 전위 차가 커져야 합니다. 즉, 양극보다 음극의 전위가 더 높아야 한다는 것을 알 수 있습니다.

<그림2> 전해 전지의 i-E 그래프 예시.

 

그렇다면, 전해 전지에서 전류는 그래프처럼 무한대로 흐를 수 있을까요? 그렇지는 않습니다. 물질 전달과 반응 속도의 한계로 인해서 결국 한계점에 도달하게 되는데요, 이는 앞으로 더 공부해가도록 해요. 오늘 설명한 내용 중 오류가 있거나, 질문이 있다면 댓글로 남겨주시기 바랍니다. 그럼 다음에 만나요~

참고문헌

J. Bard. Electrochemical Methods Fundamentals and Applications. 2nd Ed. John Wiley and Sons, 2001.