전류가 흐르는 액체










1. 왜 그럴까?

대부분의 사람들은 물에는 전기가 통한다고 믿고 있다. 그러나 액체라고 해서 꼭 전기가 통하는 것은 아니다. 어떤 액체인가 또 그 액체에 무엇이 녹아 있느냐에 따라 전류가 통하고 안 통하는 것이다. 이 때 물 속에 녹아 전기를 잘 통하게 하는 물질을 전해질, 안 통하게 하는 물질을 비전해질이라 한다. 그렇다면 아무것도 녹아(용해)있지 않은 순수한 물은 어떨까? 이것은 전류의 길을 만들어 주는 물체의 도움이 전혀 없기 때문에 전기가 통하지 않는다. 특히 전해질 중에서도 중화로 생긴 염의 수용액은 전기를 잘 통하며 물질이 녹아 있는 상태에 따라 전해질의 성질이 약하고 강하게 나타난다.

2. 수용액과 전류

물의 성분을 알아보는 실험에서 물을 전기로 분해할 때, 물에 수산화나트륨을 넣었다. 이것은, 순수한 물에는 전기가 통하기 어렵지만 수산화나트륨, 황산 따위가 녹으면 전기가 잘 통하기 때문이다. 산성을 나타내는 물질의 수용액은 대체로 전기가 통하지만, 초산처럼 전기가 잘 통하지 않는 것도 있다. 전기에 대한 이와 같은 성질은 알칼리성 물질의 경우도 같다고 할 수 있다. 수산화나트륨 수용액, 석회수 등은 전기가 잘 통하지만 암모니아수는 잘 통하지 않는다. 그러나, 중화로 생긴 염의 수용액은 대체로 전기가 잘 통한다.
물에 녹는 물질에는 설탕이나 알콜처럼 산성이나 알칼리성 물질도 아니고, 염도 아닌 물질이 있다. 설탕물에서는 전기가 통하지 않지만, 염산을 넣으면 전기가 잘 통한다. 이와 같은 현상은 설탕물 뿐만 아니라 알콜이나 녹말의 수용액에서도 마찬가지이다. 즉, 설탕, 알콜, 녹말 등의 수용액은 전기가 통하지 않는다.

3. 전해질과 비전해질

물질이 물에 녹아 수용액으로 되었을 때, 전기가 통하는 물질을 전해질이라 한다. 염산·황산 등의 산과, 수산화나트륨·암모니아와 같은 알칼리성을 나타내는 물질, 소금이나 질산칼륨과 같은 염은 모두 전해질이다.
그러나, 설탕이나 알코올 등의 수용액은 전기가 통하지 않으며, 순수한 물에도 전기가 통하지 않는다. 이와 같이, 수용액이 되었을때에 전기가 통하지 않는 물질을 비전해질이라 한다.

4. 전해질 수용액에서 전류가 흐르는 비밀

염화나트륨이나 황산구리와 같은 전해질은 물에 녹아 이온화하여 (+)이온과 (-)이온으로 나뉘어진다. 이것이 각각 (+)극과 (-)극 쪽으로 끌려가 전기를 운반하기 때문에 전류가 흐르게 된다. 즉, 이온은 전기를 나르는 배달부인 셈이다.
설탕과 알콜같은 비전해질 수용액에는 전류가 흐르지 않는다. 그 까닭은 비전해질 수용액에서는 이온화가 이루어지지 않아서 전기를 날라 줄 이온이 없기 때문이다.

[응용발전]

1. 전해질과 전해액의 실생활에서 이용
우리 주변에서 전해질을 이용한 물건으로 가장 흔히 볼수 있는 것은 건전지입니다. 라디오, 휴대용 카세트테이프 레코더, 장난감, 휴대용 콤팩트디스크 플레이어 등에는 건전지가 들어갑니다. 건전지는 대개 한 번만 쓰고 버리지요? 이런 것은 1차전지라고 합니다. 자동차는 구동용 전원으로 재충전해 쓸 수 있는 축전지를 이용합니다. 이것을 2차전지라고 합니다. 일반 건전지와 비슷한 모양의 충전용 소형전지도 2차전지라고 할 수 있습니다.

2. 1차전지
1차전지는 물질들의 화학 변화 과정에서 발생하는 전기 에너지를 이용하는 것입니다. 마치 성냥이 다 타면 재만 남듯 화학물질의 변화가 끝나면 전기에너지도 발생하지 않습니다. 건전지는 한 번 쓰면 버려야 하는 것도 이 때문입니다. 흔히 쓰이는 망간전지는 음극 부분을 원통형으로 만들어 전해액이 흘러나오지 않게 합니다.

  


3. 2차전지
2차전지는 양극에 과산화납, 음극에 해면상으로 만든 납을 쓰고 황산을 전해액으로 이용한 것이 많이 쓰입니다. 이것을 납축전지라고 하지요. 기전력은 약 2.1V 정도입니다. 납축전지는 방전할 때 양극과 음극이 황산납으로 변했다가 충전하면 원래 상태로 회복됩니다. 보통 수백번 충전 방전을 반복할 수 있지만 방전 후 즉시 충전시키지 않으면 수명이 짧아집니다. 최근에는 축전지의 수명과 사용 시간을 늘리기 위해 여러 가지 연구가 이루어지고 있습니다. 알칼리전지, 니켈-카드뮴전지, 리튬전지 등이 그런 것들입니다. 특히 리튬전지는 작고 가벼우면서도 성능이 강력해 자동차회사들이 미래 전기자동차의 동력원으로 주목하고 있습니다.

      


4. 전해질의 이용
전해질은 식품 분야에도 널리 이용됩니다. 전해질 음식은 몸에 빨리 흡수되는 특성이 있기 때문입니다. 스포츠음료나 된장 간장을 섞은 물에 전기가 잘 통하는 것을 보았지요? 이런 음식에는 전해질이 많습니다. 특히 된장 간장 등 우리 전통 식품은 전해질 덩어리라고 할 수 있을 정도입니다.

5. 전위와 전위차
물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 양전하는 전위(전기적 퍼텐셜 에너지)가 높은 곳에서 낮은 곳으로 움직입니다. 음전하는 양전하와 항상 반대방향으로 움직이므로 전자는 전위가 낮은 곳에서 높은 곳으로 움직입니다. 두 점 사이의 전위의 차이를 전위차라고 합니다.

6. 전기도금의 원리
전해질의 용액 속에 2종류의 금속으로 만든 전극을 넣고 여기에 전류를 통하면 양극과 음극에서는 전기 분해가 일어납니다. 이것을 이용한 것이 전기 도금입니다. 전기 도금을 할 때에는, 도금될 금속을 음극으로 하고, 도금할 금속을 포함하는 염을 도금액으로 삼는 경우와, 역시 도금될 금속을 음극으로 삼고 도금할 금속을 양극으로 삼는 경우가 있습니다. 이렇게 하여 양극에 전류를 통하면 도금할 금속은 양이온이 되어 음극으로 끌려 들어가 그 표면에 달라 붙습니다. 이와 같이 금속이 전기 분해에 의하여 녹아 전극에 달라붙는 것을 전착이라고 합니다.