염다리

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염다리

[ salt bridge ]

전기 화학 시스템 중 자발적으로 작동하는 갈바니 전지(galvanic cell)에서 두 개의 반쪽 전지(half cell)를 연결하는 장치를 염다리(salt bridge)라고 한다. 대표적인 갈바니 전지인 아연-구리 볼타 전지(Zn-Cu Voltaic cell)와 다니엘 전지(Daniel cell)를 비교하는 것이 염다리를 이해하기 위해서 효과적이다.

목차

  1. 1.아연-구리 볼타 전지
  2. 2.다니엘 전지와 염다리
  3. 3.염다리의 구성 및 제조 방법
  4. 4.참고 문헌

아연-구리 볼타 전지

아연-구리 볼타전지는 구리판과 아연판을 묽은 황산 용액에 넣고 구리판과 아연판을 도선으로 연결하여 아래 그림과 같이 구성한다.

아연/구리 볼타 전지()

아연-구리 볼타 전지에서 일어나는 전기 화학 반응은 각각 다음과 같다.

아연판: @@NAMATH_INLINE@@\ce{ Zn(s) <=> Zn^2+ + 2e- }@@NAMATH_INLINE@@

구리판: @@NAMATH_INLINE@@\ce{ 2H+ + 2e- <=> H2(g) }@@NAMATH_INLINE@@

아연판에서는 아연의 산화가 일어나므로 산화 전극(anode), 구리판에서는 수소 이온의 환원이 일어나므로 환원 전극(cathode)에 해당하며, 전자는 도선을 따라서 이동한다. 그런데 구리판에서 발생한 수소 기체가 전극 표면에 붙어서 환원 반응을 저해하는 분극 현상이 일어나서 전압이 크게 떨어질 수 있다.

다니엘 전지와 염다리

다니엘 전지는 아래 그림과 같이 아연판을 황산 아연 수용액에 넣고, 구리판을 황산 구리 수용액에 넣은 뒤에 구리판과 아연판을 도선으로 연결하고, 두 용액은 염다리로 연결한 전지이다. 

다니엘 전지와 염다리()

다니엘 전지에서 일어나는 전기 화학 반응은 각각 다음과 같다.

아연판: @@NAMATH_INLINE@@\ce{ Zn(s) <=> Zn^2+ + 2e- }@@NAMATH_INLINE@@

구리판: @@NAMATH_INLINE@@\ce{ Cu^2+ + 2e- <=> Cu(s) }@@NAMATH_INLINE@@

다니엘 전지에서는 아연-구리 볼타 전지와 달리 묽은 황산 용액을 전해질로 사용하지 않아서, 구리판에서 수소 기체 발생 대신에 구리 이온의 환원 반응이 일어남을 알 수 있다. 그 결과 다니엘 전지에서는 분극 현상이 일어나지 않는다. 그런데 반응이 진행되면 산화 전극에서는 아연 이온의 농도가 증가하여 산화 전극 수용액(anolyte) 내 양이온이 증가하고, 환원 전극에서는 구리 이온이 환원되어 구리 금속으로 석출되면서 환원 전극 수용액(catholyte) 내 양이온의 농도가 감소한다. 염다리가 없다면 이런 전하의 불균형 때문에 다니엘 전지는 계속 작동할 수 없다. 그러므로 두 반쪽 전지 용액이 각각 전기적으로 중성 상태를 유지하도록 염다리를 함께 구성한다.

염다리는 과량의 양이온과 음이온을 포함하고 있어서 양이온을 생성하는 산화 전극 쪽으로 염다리의 음이온이 이동하고, 반대로 양이온이 소멸하는 환원 전극 쪽으로 염다리의 양이온이 이동하여 전기적 중성을 유지하도록 만들어 준다. 염다리에 들어 있는 이온의 농도가 수용액 중에 존재하는 이온의 농도보다 훨씬 높기 때문에 염다리를 빠져나오는 이온의 이동이 염다리로 들어가는 이온의 이동보다 잘 일어난다. 그 결과 다니엘 전지는 계속 작동할 수 있으며, 염다리는 두 반쪽 전지 사이에서 전자의 직접적인 이동 대신에 이온을 통한 전하의 이동으로 전류가 흐르게 하는 역할을 수행함을 알 수 있다. 더불어 이런 염다리가 존재함으로 아연-구리 볼타 전지와 달리 다니엘 전지에서는 산화 전극 수용액과 환원 전극 수용액이 섞이지 않으며, 다른 조성으로 설계할 수도 있다.

염다리의 구성 및 제조 방법1)

염다리는 고농도의 전해질을 포함하는 젤(gel)로 채워진 U자 형태의 관을 주로 활용한다. 염다리의 양쪽 끝은 이온들이 확산할 수 있지만, 염다리의 내부와 외부 용액 사이에서 섞임이 최소가 되도록 하는 다공성 유리막으로 구성되어 있다. 이 막은 반투과성(semipermeable)을 가지며, 크기가 작은 분자 및 이온만 선택적으로 통과할 수 있다. 한천을 녹인 고온의 수용액에 염을 포화시키고, 이 용액을 U자 형태의 관에 넣은 후에 냉각시켜서 염다리를 만든다. 그런데 염다리를 제조할 때 사용할 염은 다음과 같은 특성을 가져야 한다.

  1. 두 반쪽 전지의 전기 화학 반응과 무관한 이온으로 구성해야 한다.
  2. 전지의 저항이 대부분 염다리에서 나타나므로, 해당 염이 고농도로 용해가 가능하여 전기 전도성이 충분히 있어야 한다.
  3. 질산 포타슘(KNO3)이나 염화 포타슘(KCl)과 같이 거의 비슷한 전도도와 이동도를 가진 양이온과 음이온의 조합으로 구성하는 것이 바람직하다. 이렇게 염다리를 구성해야 액체 접점 전위(liquid junction potential)를 최소화할 수 있다.

참고 문헌

1. D.C. Harris, 분석화학 제9판, 강용철, 김영일, 문명희, 여인형, 이동수, 이승호, 정두수, 정혁 번역, 자유아카데미, 2017.

동의어

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