수전해 수소생산의 디코딩 - 전기분해와 물

전기분해와 물 

 

전기분해란

 '전해'라는 말은 '전기분해'를 줄여 이르는 말로, 물질이 자연상태에서 자발적으로 산화,환원이 일어나지 않는 경우에, 수용액이나 용융상태에서 화합물에 전극을 넣고 전류를 통하여, 강제적으로 산화,환원 반응을 일으키는 것을 뜻하며, 이러한 전기를 통해 물질의 분해가 가능한 원리는 물질을 구성하고 있는 원자간 화합결합에 전자가 크게 관여하고 있기 때문입니다. 

 

 

 대부분의 화합물들은 전기적인 성향이 음(-)과 양(+)으로 구분되기 때문에 전기 분해를 하게되면 양극(+)에서는 음이온(-), 음극(-)에서는 양이온(+)으로 분해가 됩니다. 이때 양극의 음이온은 전자를 잃어(=산소를 얻다 / 수소를 잃다) 산화가 된다고 하고, 음극의 양이온은 전자를 얻어 환원(= 산소를 잃다 / 수소를 얻다) 됩니다. 

 이러한 반응의 대표적인 예로써 바로 염화나트륨(NaCl)을 들 수 있는데요. 염화나트륨이 물속에 녹게되면, 나트륨 양이온(Na+)과 염소 음이온(Cl-)으로 분해가 되며, 나트륨 양이온은 음극으로, 염소 음이온은 양극으로 이동하게 됩니다.

 

 

 

 

 

물(H2O)의 성질과 특징

 물은 흔히 알려져있다시피, 수소원자 2개(H2)와 산소원자 1개(O)가 결합되어 있는 분자물질(화합물)이며, 수소와 산소간 전자를 공유함으로써 결합되어 있는 공유결합 형태로써 존재합니다.

 

 

물질을 이루는 원소간 화학결합 방식에 대한 글을 준비 중에 있습니다.

 

 

순수한 물이 전기분해가 어려운 이유

 일반적으로 공유결합을 통해 이루어진 물질은 이온결합의 경우처럼 전자가 한 원자에서 다른 원자로 이동하는 것이 아니라, 전자가 한 원자에 속한 상태에서 다른 원자의 원자핵에도 끌리는 형태이기 때문에 일반적으로 공유결합으로 이루어진 물질은 전자의 이동이 쉽게 이루어지지 않으며, 때문에 전기전도성이 낮습니다.  

 

  그러나 물의 경우, 이러한 공유결합 형태에서도 극성공유결합 형태를 띄는데요.

 극성 공유결합이란 전기 음성도가 다른 두 원자가 전자쌍을 공유하며 형성하는 결합을 뜻하는 것으로 전기음성도가 다른 두 원자가 공유결합을 하게 되면 전자가 한 원자쪽으로 치우치게 됩니다. 이 경우 완전한 공유결합(무극성공유결합)과는 다르게 전하의 분리가 일어나게 되는데, 이때 전기 음성도가 큰 원자는 부분적으로 음(-)전하의 성질을 갖게되고, 전기 음성도가 작은 원자는 부분적으로 양(+)전하의 성질을 갖게됩니다.

 

 이러한 이유 때문에, 물을 전기 분해하게되면 미약하게나마 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)으로 분리할 수 있는데요.

그러나 순수한 물로 전기분해를 하게되었을 시 발생하는 수산화 이온의 양은 천만개의 물분자 중 하나 정도 수준으로 낮게 생성되기 때문에 사실상 순수한 물을 가지고 전기분해방식으로는 수소와 산소를 효율적으로 분리해낼 수 없습니다.  

 

이와 같이 희미한 전하상태롤 띈 순수한 물의 성질로는 수소를 경제성 있게 추출할 수 없기 때문에, 물의 전기적인 성향을 높일 방법이 필요하게 되었고, 이를 위해 만들어진 방법이 화합물간의 이온화경향을 이용한 '전해질'의 첨가입니다.

 

 

 

물이 전해질 수용액이 되는 과정

전해질이란 '전기분해물질'을 줄여 이르는 말로, 고체 상태에서는 전류가 흐르지 않지만 물에 녹았을 때(수용액) 상태에서 이온으로 쪼개져 전류를 흐르게 하는 물질을 뜻합니다.  

물에 첨가되는 전해질이 물의 전기분해로부터 생산되는 수소의 추출에 있어 효율적이려면 아래와 같은 조건이 충족되어야 하는데요.

 

 1. 전해질이 수용성을 가진 이온결합화합물이어야 한다.

 2. 전해질의 구성원소가 수소보다 이온화경향이 높아야 한다.

 

 이온화 경향이란 원자 또는 분자가 물 또는 수용액상태에서 전자를 떼어내어 이온이 되려고 하는 경향을 뜻하는 것으로 

일반적으로 이온화 경향이 높은 원소는 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 이온화 경향이 높은 것으로 알려져 있는데, 그중 주기율표상에 1족에 속하는 알칼리 금속의 이온화 경향이 가장 높습니다.  

 

 일반적으로 알칼리 금속은 안정된 상태의 원소상태에서 전자가 1개가 남기 때문에, 전자를 잃고 (+)1가의 양이온으로 존재하기를 선호하기 때문에 물과 결합되어 있는 수용액 상태에서는  (-)음이온 성향을 가진 산소원자에 자신의 전자를 보내려는 경향을 보입니다. 이는 역설적으로 산소원자가 수소원자보다 전기음성도가 더 크기 때문에 수소보다 전자를 끌어당기려는 힘이 강합니다. 

 

 이렇듯 기존 수소원자 2개와 산소원자 1개로 이루어져 있던 물분자는 산소원자가 칼륨원자로부터 전자를 받았기 때문에 그동안 전자로 공유결합되어 있던 수소원자 1개를 떼어내게 됩니다. 이 과정에서 분리된 수소원자는 산소원자와 공유하고 있었던 전자로부터 분리되어 수소이온(H+)이 되고,  수소원자를 잃어버린 나머지 수소원자 1개와 산소원자는 수산화이온(OH-)으로 남게 되면서, 수용액 상태에서 음이온과 양이온이라는 전하의 운반체가 생겨 전류가 흐르게 되는 전해질 수용액이 됩니다.

 

보통 이러한 알칼리 금속을 이용한 전해질의 원료로서 많이 사용되는 것은 수산화칼륨(KOH)인데, 현재 알칼라인 수전해의 전해질로써 KOH(수산화칼륨)을 많이 사용하는 이유는 수산화칼륨은 강염기로써 이온화시 수산화이온을 많이 내놓는 염기류에 속하기 때문입니다.

 

 

 

▶ 본 게시글은 '수전해 산업'이라는 특정 산업에 대해서 투자관점으로 화학이론을 참고하여 작성된 글입니다. 일부 사안에 있어서는 화학이론에 다소 어긋난 부분이 있을 수도 있음을 알립니다. 

 

 

 

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