18.10: 다전기 분해

갈바니 전지에서는 자발적인 산화환원 반응에 의해 생성된 전자가 외부 회로를 통해 전달됨에 따라 주변의 산화환원 시스템에 의해 전기적 작업이 수행됩니다. 대안적으로, 외부 회로는 전기분해로 알려진 과정에서 비자발적 반응을 유도하기에 충분한 전압을 부과함으로써 산화환원 시스템에서 작동합니다. 예를 들어, 배터리를 충전하려면 외부 전원을 사용하여 자발적(방전) 세포 반응을 반대 방향으로 구동하여 반쪽 세포의 구성과 배터리 전압을 어느 정도 복원해야 합니다. 다른 예로는 금속 광석 정제에 전기분해를 사용하고, 일반 화학 물질을 제조하고, 기구, 보석류 등에 금속 코팅을 전기도금하는 작업 등이 있습니다.

전기분해 생성물 예측

용융 염화나트륨(NaCl(l))의 전기분해는 금속 나트륨(Na)과 염소 가스(Cl_2)의 산업적 생산에 사용됩니다. 나트륨 이온(Na^+)은 음극에서 원자로 환원되는 반면, 염화물 이온(Cl^-) 이온은 양극에서 염소 가스인 Cl_2로 산화됩니다. 산화 환원 반응은 다음과 같습니다.

음의 전지 전위는 -4.07V보다 큰 양의 전위를 부과하여 구동되어야 하는 비자발적인 반응을 나타냅니다. 용융된 염화나트륨의 전기분해는 이온성 고체가 고온에서 녹기 때문에 801°C의 고온에서 수행됩니다.

물을 전기분해하면 양극에서는 화학양론적 양의 산소 가스가, 음극에서는 수소가 생성됩니다. 전기 전도성을 향상시키기 위해 강산을 첨가하여 물의 수소 이온 농도를 높입니다. 관련된 산화환원 반응은 다음과 같습니다.

염화나트륨 수용액과 같은 이온성 화합물 용액의 전기분해는 양극과 음극에서 물종(H_2O, H^+, OH^-) 또는 용질종(화합물의 양이온과 음이온)의 전기분해를 수반할 수 있습니다.

염화나트륨 수용액의 전기분해에는 다음 두 가지 양극 반응 중 하나가 포함될 수 있습니다.

열역학적으로 물은 더 쉽게 산화됩니다. 그러나 실제로는 염소 가스가 생성됩니다. 물의 산화를 시작하려면 훨씬 더 큰 전압이 필요합니다. 이러한 과전압을 극복하기 위해 전극을 선택하고 전지의 전위를 주의 깊게 모니터링하여 양극에서 염화물 이온이 산화되는지 확인합니다.

마찬가지로, 음극에서 가능한 환원 반응은 다음과 같습니다.

이러한 표준 반쪽 반응 전위를 비교하면 물의 환원이 열역학적으로 선호된다는 것을 알 수 있습니다. 이 경우 순 세포 반응은 다음과 같습니다.

전기분해의 정량적 측면

전류는 전자의 흐름 속도이며 암페어, 초당 1쿨롱(A = 1C/s) 단위로 측정됩니다. 지정된 시간 간격 t 동안 일정한 전류 I의 통과에 의해 전송된 전하 Q는 다음과 같이 계산됩니다.

산화환원 공정 중에 전자가 이동하는 경우, 반응의 화학양론을 사용하여 관련된 (전자) 전하의 총량을 도출할 수 있습니다. 예를 들어, 일반적인 축소 과정은

n 몰의 전자 이동을 포함합니다. 따라서 이전된 요금은 다음과 같습니다.

여기서 F는 패러데이 상수, 전자 1몰에 대한 쿨롱 단위의 전하입니다. 전기화학 전지의 경우 전류 흐름이 측정되고 전지 반응과 관련된 화학양론적 계산에 사용될 수 있습니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.7: Electrolysis.

볼타 전지에서 자발적인 산화환원 반응은 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시킵니다. 또는 외부 전기 에너지로 전해조에서 일어나는 전기분해라고 불리는 과정에서 자발적인 산화반응을 유도합니다. 전해조에는 산화용 양극과 환원용 음극이 있습니다.

하지만, 음전하의 양극이 전자의 원천인 볼타 전지와는 달리, 전해조는 배터리처럼 외부 전자의 원천을 가지고 있습니다. 배터리는 양극 단자에 연결된 양극에서 전자를 끌어와 음극 단자에 연결된 음극으로 보냅니다. 따라서 전자는 양극 단자에서 외부 동력원의 음극 단자로 흐릅니다.

전기분해는 이온 화합물을 구성 요소로 분리하는 데 사용됩니다. 용해 또는 수성 상태에서 요소 이온들은 자유롭게 전기를 전도합니다. 섭씨734 도 의 온도에서 녹는 브롬화칼륨을 생각해 보세요.

여기서 브롬화 이온과 칼륨 이온은 각각 산화 상태가 가장 낮거나 가장 높은 상태에 있습니다. 전원이 흐를 때 브롬 이온은 양극에서 브롬 기체로 산화되고 칼륨 이온은 음극에서 고체 칼륨으로 환원합니다. 요오드화나트륨과 브롬화 칼륨과 같은 용융된 이온 혼합물에서는 표준 전극 전위를 사용하여 어떤 물질이 반응할지 예측할 수 있습니다.

일반적으로 전극 전위가 낮은 음이온이 산화되고 전극 전위가 높은 양이온이 환원합니다. 흥미롭게도 수용성 브롬화 칼륨의 전기분해에서는 물의 전기분해 가능성 때문에 녹은 소금과는 다른 생성물을 생성합니다. 따라서 각 전극에서 두 가지 반응이 일어날 수 있습니다.

즉, 양극에서 브롬화 이온 또는 물의 산화 반응 및 음극에서 칼륨 이온 또는 물의 환원 반응입니다. 전극 전위가 낮을 경우 브롬화 이온이 브롬으로 산화되는 과정이 바람직하며 물의 양의 전극 전위가 많을수록 수소 기체로의 환원을 유도합니다. 반반응의 화학양론 측정법을 사용하여 전기분해 중에 생성되거나 소비되는 물질의 양을 계산할 수 있습니다.

예를 들어 용융된 브롬화 칼륨의 전기분해에서는 하나의 전자를 사용하여 칼륨 원자를 생성합니다. 따라서 통과하는 전자 일 몰이나 96, 485 쿨롱에 대해 전지는 일 몰 또는 거의 39그램의 고체 칼륨을 생성합니다.