일전에 아래와 같이 라부아지에의 물 분해 실험에 대해 포스팅한 바 있습니다. 그 당시의 실험을 통해 물은 그 자체가 원소가 아니라 수소와 산소로 분해되는 것을 알 수가 있었는데요, 물에 전기 에너지를 걸어주면 전자를 얻거나 잃는 반응이 일어나 물이 수소와 산소로 분해되는 것을 확인할 수가 있습니다. 여기에 대해서 정리를 해봅니다.
2023.12.12 - [과학] - 라부아지에의 물 분해 실험
라부아지에의 물 분해 실험
아리스토텔레스의 4원소설 고대 그리스의 과학자이자 철학자인 아리스토텔레스(Aristotle, 기원전 384-322)는 당시 모든 물질이 물, 불, 흙, 공기로 이루어져 있다는 4원소설을 주장하였는데요, 당시
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물의 전기 분해 실험 방법
물 묻은 손으로 콘센트를 만지지 마라던가, 전기가 흐르는 곳에 물이 닿으면 위험하다고들 하죠. 이렇게 물은 전기가 통한다고 알려져 있지만 정확하게 말하면 사실이 아닙니다. 순수한 물(H2O)은 이온화 정도가 아주 미미하기 때문에 전기가 통하지 않는데요, 다만 우리가 일반적으로 이용하는 수도를 포함한 물에는 여러 이온이나 미네랄 등의 불순물들이 일부 포함되어 있기 때문에 전기가 통하게 됩니다. 그렇기 때문에 물의 전기 분해를 실험하기 위해서는 물에 전해질(electrolyte)을 녹여서 전류가 흐르게 해주어야 하고, 따라서 황산나트륨(sodium sulfate, Na2SO4)을 녹인 증류수를 전기 분해 장치에 채운 다음에 전류를 흘려주게 됩니다. 참고로 전해질은 황산(H2SO4, sulfuric acid)이나 질산나트륨염(NaNO3, sodium nitrate salt)를 사용하기도 하고요, 그러면 (-)극(cathode)에서는 수소(H2) 기체가 발생하고 (+)극(anode)에서는 산소(O2) 기체가 발생하는데요, 기체의 부피비는 2:1이 됩니다. 좀 자세히 볼까요.
참고로, Cathode는 음극을 지칭하는데 환원이 일어나는 전극을 말하며, Anode는 일반적으로 양극을 지칭하는데 산화가 일어나는 전극을 말하고, 전극은 보통 백금(platinum, Pt)으로 제작됩니다. 그리고, 이제 전자는 (-)극에서 (+)극으로 이동하므로 (-)극에서는 전자를 얻고 (+)극에서는 전자를 잃게 되겠죠.
각 전극에서 반응식을 살펴보면, 아래와 같이 됩니다.
- Cathode, (-)극 : 2H2O(l) + 2e^(-) → H2(g) + 2OH^(-)(aq) : 물 분자가 전자를 얻는 환원 반응
- Anode, (+)극 : 2H2O(l) → O2(g) + 4H^(+)(aq) + 4e^(-) : 물 분자가 전자를 제공하는 산화 반응
참고로 여기서 성냥불과 향을 대어보는 실험을 할 수가 있는데, 음극에서는 수소기체가 발생하므로 성냥불이 퍽 소리를 내면서 타게 되고, 양극에서는 산소가 발생하므로 불씨만 남은 향불이 다시 타오르게 됩니다.
위의 두 반응식을 방정식을 계산하듯이 더해주고 수소(H+) 이온과 수산화이온(OH-)은 물로 중화되어 전환이 되는 방식으로 양변을 정리해 주면 아래와 같이 됩니다.
2H2O(l) + 전기에너지 → 2H2(g) + O2(g)
화학반응식의 계수를 통해 알 수 있는 양적 관계에 따라 물이 분해되면 수소와 산소가 2:1의 부피 비율로 생성이 되죠. 참고로, 에너지는 전기나 빛, 열의 형태가 전환될 수 있는 형태이므로 이 역시 흡열반응이 됩니다.
[정리]
- (-)극에서 환원 반응이 일어나며 수소 기체 발생
- (+)극에서 산화 반응이 일어나며 산소 기체 발생
- 발생하는 기체의 부피비는 2:1
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