전지
전지는 산화 환원 반응에서 나오는 화학에너지를 전기에너지로 변화시킬 수 있는 장치이며 실생활에서 편리하게 이용되고 있다. 황산구리(Ⅱ) 수용액에 아연을 넣으면 아연이 산화되어 2가 이온이 되어 용액에 녹고 구리이온은 환원되어 구리로 석출된다.
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
아연과 구리 이온을 분리된 두 개의 칸에 각각 넣고 전선으로 연결하면 전선을 따라 전류가 흘러 전등을 켜거나 전동기를 돌리는데 사용한다. 양극(anode)에서는 아연의 산화가 일어나고 구리 이온의 환원은 음극(cathode)에서 일어나며 만들어진 전자들은 전선을 따라 양극에서 음극에서 흐른다. 용액에서는 황산 이온(SO42-)은 양극 쪽으로 그리고 아연 이온(Zn2+)은 음극 쪽으로 이동한다.
갈바니 전지
구리과 은으로 이루어진 갈바니 전지에서 구리는 양극이며 은은 음극이다. 이 전지를 간략하게 표시하면 다음과 같다.
Cu(s) ︳Cu2+(aq) ‖ Ag+(aq) ︳Ag(s)
양극은 왼쪽에 음극은 오른쪽에 표시되며 ︳는 고체 전극과 용액의 접촉면이며 ‖ 은 양극과 음극을 연결하는 염다리이다.
그림
전지에서 전류가 흐르려면 전기회로의 두 점 사이에 전위차 ΔE가 있어야 한다. 전위차는 외부회로에 전압계를 연결하여 측정하며 회로를 흐르는 전류의 양과 관련이 있으며 전류가 너무 크면 전압은 떨어진다. 알짜 전위차는 다음과 같다.
ΔE알짜 = ΔE - ΔE외부
ΔE는 ΔE알짜가 0이 될 때까지 ΔE외부를 조절하여 측정할 수 있으며 전류는 0이 된다.
ΔE외부를 ΔE보다 약간 작게 하면 알짜 전위차가 작아지며 반응이 전극에서 서서히 일어나므로 전지는 거의 가역적으로 된다.
1차전지
1차전지는 전지에서 전력이 생기는 동안 양극 또는 음극이 화학반응으로 인해 소모되는 전지이며 건전지, 알칼리 전지, 수은 전지, 리튬 전지 등이 있다. 건전지는 가장 오래된 소형전지로서 회중전등, 휴대용 라디오와 장난감 등에 사용되고 있다.
양 극: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-
음 극: 2NH4+(aq) + 2e- → 2NH3(g) + H2(g)
2MnO2(s) + H2(g) → Mn2O3(s) + H2O(l)
Zn2+(aq) + 2NH3(g) + 2Cl-(aq) → Zn(NH3)2Cl2(s)
전체반응: Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(s) → Zn(NH3)2Cl2(s) + H2O(l) + Mn2O3(s)
전류가 빨리 흐르면 생성되는 기체가 빨리 소모되기 어려우므로 전압이 떨어지는 단점이 있다. 최대 전위차는 1.5V이다. 아연은 식물과 인간에게 해로운 금속이므로 상요후 주의 깊게 폐기해야 한다.
알칼리 전지의 전해질은 강염기인 KOH이며 수명이 건전지보다 길다. 고율 방전이 가능하고 용량이 크며 저온에서도 사용할 수 있지만 강염기를 사용하므로 분해할 때 조심해야 한다.
양 극: Zn(s) + 2OH- → ZnO(s) + H2O(l) + 2e-
음 극: 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e- → Mn2O3(s) + 2OH-(aq)
전체반응: Zn(s) + 2MnO2(s) + 2H2O(l) → Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s)
사용시 기체가 발생하지 않으며 전류가 많이 흘러도 전압이 갑소하지 않으며 표준전압은 1.54V이다.
수은 전지의 양극은 아연이고 음극은 산화수은(HgO)이다. 양극과 음극이 고체이므로 칸막이로 분리하지 않아도 되며 수명이 길다. 아연은 수은과 합금을 만들거나 아말감화하여 사용된다.. 전압은 1.34V이고 안정하므로 통신 설비나 과학 기기에 많이 사용되고 있다. 수은은 독성이 강한 중금속이므로(미나마타병) 사용후 처리에 주의해야한다.
양 극: Zn(s) + 2OH- → ZnO(s) + H2O(l) + 2e-
음 극: HgO(s) + H2O(l) + 2e- → Hg(l) + 2OH-(aq)
전체반응: Zn(s) +HgO(s) + H2O(l) → Zn(OH)2(s) + Hg(l)
리튬전지는 고성능의 전자제품에 필요한 높은 에너지 밀도와 높은 출력밀도를 가지고 있으며 전압은 3V이다. 가장 가벼운 금소이고 산화전위가 높으므로 단위 무게당의 전기화학적 용량이 아연전지의 4배 이상이므로 음극물질로 가장 우수하지만 수분에 민감하기 때문에 수분을 제거한 유기용매 개발에 오랜 시간이 걸렸다. 리튬전지는 전해액이나 양극물질에 따라 고체양극, 액체양극, 고체전해질 전지로 나누어 진다. 고체양극형의 이산화망간 리튬전지는 계산기, 시계, 완구 둥에 많이 사용되고 있으며, 리튬 액체 양극전지는 군용무전기 등의 특수한 분야에 사용되고 있다. 고체전해질 리튬전지는 전지에서 누출이 없지만 추력이 상대적으로 약하므로 인공심장박동기 등의 낮은 출력으로 오랜 저장수명이 필요한 곳에 사용된다.
2차전지
외부에서 전압을 주어 방전과 반대방향으로 전류를 흐르도록 하여 다시 충전할 수 있는 전지를 2차전지라고 하며 납축전지, 니켈-카드뮴 전지 등이 속한다. 재충전시 외부 전합은 정지전압보다 커야 하며 극성은 반대여야 한다.
납축전지의 양극은 다공성의 납(Pb)이며 음극은 압축된 PbO2이다. 교대로 배열되어 진한 황산에 담겨 있으며 얇은 섬유 유리판으로 분리되어 있다.
양 극: Pb(s) +SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2e-
음 극: PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq) → PbSO4(aq) + 2H2O(l)
전체반응: Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O(l)
납축전지의 기전력은 약 2V이지만 사용하는 동안 서서히 저하하여 1.8V 정도가 되면 다시 충전해야한다. 축전지의 기전력은 크기와는 관련없지만 극판면적을 크게하면 용량이 증가하여 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 충전은 전지의 양 단자에 전원의 양 단자를 연결하고 규정된 전류값을 유지하면서 계속한다. 충전이 진행되면 양극판은 다갈색으로 음극판은 납색으로 변화하며 전압이 2.7~2.8V로높아지고 전해액의 비중이 서서히 증가하여 1.26 정도가 되면 종료한다.
니켈-카드뮴 전지는 계산기, 면도기, 캠코더, 휴대용 라디오 등에 사용된다. 충전하여 계속 사용할 수 있으므로 수명이 길다.
양 극: Cd(s) + 2OH-(aq) → Cd(OH)2(s) + 2e-
음 극: NiOOH(s) + H2O(l) + 2e- → Ni(OH)2(s) + OH-(aq)
전체반응: Cd(s) + 2NiOOH(s) + 2H2O(l) → Cd(OH)2(s) + 2Ni(OH)2(s)
전압은 1.4V이다. 카드뮴도 유독한 중금속(이타이이타이병)이므로 사용후 잘 처리해야만 한다.