전기분해

전기분해는 자발적으로 발생하지 않는 화합물의 분해 반응을 직류 전기를 사용하여 발생하도록 하여 원하는 물질을 얻는 기술을 말한다.

전기분해를 위해서 3가지 기본 요소가 필요하다. 우선 분해하고자 하는 물질, 즉 전해질이 있어야 하는데, 전해질은 자유롭게 움직일 수 있는 이온을 포함하고 있어야 한다. 그리고 직류 전압을 가할 수 있는 두 개의 전극인 양극(anode)과 음극(cathode)이 있어야 하고, 여기에 외부에서 직류 전류가 공급되어야 한다. 외부에서는 전류가 도선을 따라 흐르고, 전자가 전하 운반자(carrier of electric charge) 역할을 한다. 한편, 전해질 내부에도 전류가 흐르며 여기에서는 이온들이 전하 운반자 역할을 한다. 전극으로는 금속, 흑연, 반도체 등이 사용되는데, 전기 분해하고자 하는 물질과 원하는 물질의 생성에 소요되는 비용에 따라 적절히 선택하여야 한다. 전기분해 기술은 광물에서 원소를 분리해내는 과정으로서 산업적으로 사용되기도 한다.

간단한 예로 소금물을 분해하여 수소와 염소를 얻는 전기분해를 생각해보자. 이 경우 소금물이 전해질에 해당하고, 양극에서는 염소 가스를, 음극에서는 수소 가스를 얻을 수 있다. 관련된 화학식은

@@NAMATH_DISPLAY@@2\text{H}_2\text{O}+ 2\text{NaCl}\longrightarrow 2\text{NaOH}+ \text{H}_2 +\text{Cl}_2@@NAMATH_DISPLAY@@

이다. 화학식에서 보듯이 물 속에 수산화나트륨이 생성되고, 이를 농축하면 부산물로 수산화나트륨 결정을 얻을 수 있다. 실제 전기분해에서는 수소와 염소가 다시 결합하는 반응이 일어나는 것을 원하지 않기 때문에 이를 막기 위해 두 극 사이에 차단막을 설치한다. 이 경우처럼 음이온(anion)인 Cl@@NAMATH_INLINE@@^-@@NAMATH_INLINE@@은 양극(anode)로 끌려가고, 양이온(cation)인 H@@NAMATH_INLINE@@^+@@NAMATH_INLINE@@는 음극(cathode)으로 끌려간다.

양극에서는 이온이나 중성 분자의 산화가 일어난다. 위에 든 소금물의 전기분해 예에서, -1가의 Cl@@NAMATH_INLINE@@^-@@NAMATH_INLINE@@이온 두 개가 각각 전자를 1개씩 내어 놓으며 중성의 염소 원자가 되고, 두 원자가 공유결합을 하여 염소 분자가 생성된다. 즉,

@@NAMATH_DISPLAY@@2 \text{Cl}^{-} \to \text{Cl}_2 + 2 e^{-} @@NAMATH_DISPLAY@@

반면 음극에서는 환원이 일어난다. 소금물 전기분해의 경우, +1가의 H@@NAMATH_INLINE@@^+@@NAMATH_INLINE@@이온 두 개가 각각 전자 1개씩을 얻어 중성의 수소 원자가 되고, 두 원자가 결합하여 수소 분자가 생성된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@2\text{H}^{+} +2 e^{-} \to \text{H}_2@@NAMATH_DISPLAY@@