전기 화학의 역사

  처음으로 화학 반응에서 전기 에너지를 얻은 것은 1794년 이탈리아의 물리학자 볼타(A. Volta, 1745~1827)에 의해서였다. 볼타는 은과 아연판 사이에 소금물로 적신 헝겊을 끼워서 쌓아두면 전류가 흐르고, 금속판의 수를 증가시키면 전류의 양도 증가한다는 사실을 발견하였다. 훗날 이와 같이 금속판 사이에 전해질 용액을 넣어서 만든 전지를 볼타 전지라고 부르게 되었다. 그러나 정작 볼타 자신은 전류가 화학 반응에 의하여 흐르게 되었다는 사실을 몰랐다고 한다. 그 뒤 1807년에 영국의 화학자 데이비(H. Davy, 1778~1829)가 볼타 전지의 전류를 이용해서 수산화 칼륨과 수산화 나트륨에서 칼륨과 나트륨 원소를 얻는 데 성공함으로써 화학 반응과 전기 에너지가 관련이 있다는 사실을 처음으로 밝히게 되었다.

이렇게 시작된 전기 화학은 자발적인 화학 반응에서 생기는 전류를 이용하는 다양한 형태의 갈바니 전지를 개발하는 기초가 되었고, 전기 에너지를 이용하여 자발적으로 일어나지 않는 화학 반응을 일으키는 전기분해 전지(electrolytic cell)를 발전시켜 도금 산업을 일으키는 원동력이 되었다. 전기 화학은 전극 반응을 이용해서 화합물의 특성을 밝히고, 다양한 화학 반응을 일으키는 중요한 분석 수단으로 발전하였다.

 

<화학 전지의 종류>

  일상생활에서 많이 사용되는 전지는 흔히 일회용으로 사용되는 '일차전지(primary cell)'와 재충전하여 다시 사용할 수 있는 '이차전지(secondary cell), 그리고 산화제와 환원제를 연속적으로 공급하여 산화-환원 반응에서 전류를 연속적으로 얻는 '연료전지(fuel cell)'로 구분된다.

  일차전지로 가장 잘 알려진 것은 1866년 프랑스에서 개발된 '건전지(dry cell)'이다. 건전지는 탄소 가루와 이산화 망간(MnO₄), 염화 암모늄(NH₄Cl), 염화 아연(ZnCl₂)을 물과 함께 반죽한 것을 아연판으로 둘러싸고, 그 가운데 탄소 막대기를 꼽은 것이다. 아연판 속에 들어 있는 반죽에서 물이 빠져나가지 않도록 밀봉하는 기술이 건전지의 품질을 결정한다. 아연판이 산화되면서 나온 전자가 탄소봉을 통에 반죽으로 흘러가면 반죽 속의 암모늄 이온이 환원되어 암모니아(NH₃)와 수소(H₂)가 만들어진다. 암모니아는 아연판이 산화되면서 만들어진 아연 이온과 착물이 되고, 수소 기체는 이산화 망간을 환원시켜 MnO(OH)로 변환되기 때문에 안전하게 사용할 수 있는 전지가 된다.

  이밖에도 최근에는 전지의 성능이 뛰어난 알칼리 전지(alkaline dry cell)와 수은 전지(mercury cell)가 실용화되었고, 전위 차가 3.4 V나 되는 리튬 전지도 사용되고 있다. 일차전지는 방전되는 과정에서 만들어지는 화합물이 액체 상태로 내부로 녹아들어 가서 안전한 형태로 변환되기 때문에 전류를 거꾸로 흘려주어도 역반응이 일어나지 않는다. 그러나 일차전지를 억지로 충전시키면 폭발성이 있는 기체가 발생할 수 있으므로 주의해야 한다.

  자동차에 사용하는 납축전지가 대표적인 이차전지이다. 진한 황산 용액 속에 납판과 산화 납(PbO₂) 판을 넣은 납축전지는 무겁고 부식성이 강한 황산을 사용하기 때문에 불편하기는 하지만 충전 효율이 뛰어나기 때문에 많이 사용된다. 카드뮴과 니켈의 산화-환원 반응을 이용하는 니켈-카드뮴 전지는 재충전이 가능한 소형 전지로 많이 사용되고 있다.

  연료전지의 하나는 산소와 수소가 반응해서 물이 만들어지는 과정을 이용하는 것이다. 연료전지는 아직까지 효율이 낮아서 일반화되지는 않고 있지만 공해 물질이 없는 전지로 많은 연구가 계속되어 있다.