멤브레인 사용처

우리는 며칠에 한번은 전기분해를 하면서 살고 있다. 전기분해는 일상에서는 전지를 충전하는 간단한 일에 사용되지만 공장에서는 염소가스(Cl₂(g))를 생산하거나, 알루미늄 혹은 구리를 생산할 때에도 사용된다. 또한 잠수함 혹은 우주선과 같은 밀폐된 공간에서 필요한 산소를 즉석에서 제조할 때도 전기분해를 이용한다. 전기분해란 무엇이며, 전기분해를 위해서는 무슨 장치가 필요하며, 어떤 일들이 일어나는 지 알아보자.

물을 전기분해하는 모습.

전기분해 반응의 특징

전기분해(electrolysis)는 반응용기(cell)에 전기에너지를 가해서 물질의 분해 혹은 변환을 유도하는 모든 반응을 말한다. 전기분해에 필요한 전기에너지는 전극을 통해서 공급된다. 사용되는 전극은 전기가 흐르는 물질이면 된다. 그러므로 모든 금속은 물론, 흑연(연필 심) 등의 전도체도 전극으로 사용할 수 있다. 전기에너지는 외부 전원으로부터 전극과 접촉하고 있는 화학물질까지 공급된다. 그 결과 화학물질들(분자 혹은 이온)은 전극을 통해서 전자를 받아들이거나, 화학물질이 가지고 있던 전자를 전극에 주고 나면 산화 혹은 환원이 되어 새로운 화학물질로 변신을 한다. 특기할 점이 있다면 전기분해에서 나타나는 화학반응은 전체적으로 균일하게 진행되는 반응이 아니라, 전극 주위에서만 진행되는 불균일(heterogeneous)반응이라는 점이다.

전기분해 장치의 구성

전기분해 장치. <출처: (cc) Ivan_Akira at wikipedia>

전기분해를 위해서는 전해용기, 2개의 전극, 산화 혹은 환원이 될 수 있는 화학물질(화학종), 전해질, 전원(전기에너지 공급장치)이 있어야 된다. 전극은 화학물질에 전자를 공급하는 수단이기도 하지만, 경우에 따라서는 전극 자체가 직접 반응에 참여하기도 한다. 반응하는 화학물질은 전해질(electrolyte)에 녹아 있다. 전해질은 용기내의 상태(액체 혹은 고체)가 전도성(conductivity)을 띨 수 있게 해준다. 전원은 전선으로 전극과 연결되어 있고, 용기내부는 전도성을 띠는 전해질로 채워져 있어서 전기가 흐를 수 있는 것이다.

전해질은 용매에 녹아서 양이온과 음이온으로 분리되는 물질로, 단순히 용액의 전도성을 유지하는 역할을 하지만, 경우에 따라서는 전극 반응에 직접 참여하기도 한다. 예를 들어 염화나트륨(NaCl, 염화소듐)은 그것이 녹아있는 용액의 전도성을 유지시켜 준다. 또한 특정한 반응조건에서는 나트륨이온 혹은 염소 이온이 전극 반응에 참여하여 금속 나트륨 혹은 염소가스로 변한다. 전원(DC 전원 혹은 전지)은 +극과 -극이 있다. 전지 전원은 +, -로 표기해 놓아 쉽게 구분이 된다. 표기가 없는 경우에는 빨간색 단자(terminal)가 +극, 검정색 단자가 –극인 것이 일반적이다. 전원의 +극은 전해용기의 + 전극에, -극은 전해용기의 – 전극에 연결하여 사용한다.

물의 전기분해

순수한 물은 전기가 흐르지 않으므로 전기분해를 할 수 없다. 따라서 물을 전기분해 하려면 전해질이 녹아 있는 수용액이 필요하다. 예를 들어서 황산나트륨(Na₂SO₄)을 녹인 물에는 나트륨이온(Na⁺)과 황산이온(SO₄ ^2-)이 포함된 전해질 용액이 되고, 전기가 흐를 수 있으므로 물의 전기분해가 가능하다. 그러므로 2개의 전극을 담그고 전기에너지를 공급하면 전극 주위에 풍부하게 존재하는 물이 전기분해 된다. 마찬가지로 물에 진한황산을 넣은 묽은 황산 용액에서도 물의 전기분해가 일어난다. 이 경우에 황산은 '전해질' 역할도 하지만, 동시에 황산이 해리되면서 생성되는 수소이온이 직접 반응에 참여하므로 '화학물질' 역할도 하는 셈이다. 그러므로 묽은 황산용액 혹은 황산나트륨 수용액에 2개의 탄소(혹은 금속) 전극을 담그고, 전원을 연결하면 각 전극에서 수소 가스(H₂(g))와 산소 가스(O₂(g))가 발생한다.

용액이 중성 혹은 염기성이면 – 전극에서 수소(H₂(g))가 발생하면서 동시에 수산화이온(OH^-)이 생성된다. 용액이 산성이면 수소이온이 환원되어 수소가 발생한다. +전극에서는 산소(O₂(g))가 발생하는 동시에 수소이온이 생성된다. 용액을 흔들지 않고 전기분해를 계속하면 – 전극 주위는 염기성으로, +전극 주위는 산성으로 변한다. 그러나 용액을 잘 저으면 전기분해로 생성된 수산화 이온과 수소 이온이 반응하여 물이 되므로 용액 전체의 pH는 변함이 없다. 결국 물을 전기분해 하면 – 전극에서는 수소가, + 전극에서는 산소가 발생된다. 이것을 이용하면 잠수함 혹은 우주선에서 필요로 하는 산소도 즉석에서 제조할 수 있다. 전기분해를 통해서 산소를 만드는 과정에서 생산되는 수소는 덤이다.

(- 전극) 2H₂O(l) + 2e → H₂(g) + 2OH^-(aq) (염기성)
(- 전극) 2H⁺(aq) + 2e → H₂(g)
(+ 전극) 2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e(산성)

소금물의 전기분해

염화나트륨(NaCl) 용액에 2개의 전극을 담그고 외부에서 그 전극에 전원을 연결하면 전기분해가 시작된다. 이때 – 전극에서는 수소와 수산화이온이 생성되며, + 전극에서는 염소가스 (Cl₂(g)) 가 발생한다. 이런 방법은 염소가스를 생산하는 공업적 방법(Chloralkali process)으로 100년 이상의 역사를 갖고 있다. 용액에는 전해질의 일부인 나트륨이온(Na⁺)과 전기분해 결과 생성된 수산화이온(OH^-)이 만나 수산화나트륨(NaOH) 용액이 된다.

소금물의 전기분해 방법. 가운데 멤브레인이 설치되어 있고, +극에서 염소 가스를 얻을 수 있다.
<출처: (cc) Jkwchui at Wikipedia>

전기분해를 계속하면 진한 수산화나트륨 용액이 형성되며, 그것을 농축하면 수산화나트륨 결정을 얻는다. 염소가스를 얻기 위해서 전기분해를 하지만, 수산화나트륨을 부산물로 얻는다. 일석이조가 따로 없다. + 전극에서 생성된 염소가스가 – 전극에서 생성된 수산화이온 또는 수소가스와 반응을 하면 본래 원했던 염소가스 대신 원치 않은 화학물질이 만들어 진다. 이런 부가 반응을 막기 위해서 – 전극과 + 전극 사이에 막(membrane)을 설치하여 두 극을 격리시켜 놓으면 원하는 염소가스와 수산화나트륨을 얻을 수 있다.

(- 전극) 2H₂O(l) + 2e → H₂(g) + 2OH^-(aq)
(+ 전극) Cl^-(l) → Cl₂(g) + 2e