개념 한 쪽
전지는 화학 반응을 통해 전기를 얻는 장치이며, 전지 종류에 따라 전해질과 운전 방식이 달라 전원 공급 방식과 성능 지표가 달라진다. 연료전지와 배터리를 구별하고, 전극에서 일어나는 산화·환원 반응의 위치를 판단하는 것이 핵심이다.
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출제기준 단원 「1차전지, 2차전지」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전기분해 생성물 질량 계산 | 1 | 전기분해 생성물의 몰비와 분자량으로 생성량을 계산하기 |
| 성능 지표와 구성 요소 구별 | 1 | 성능 지표(에너지 밀도 등)와 전해질 등 구성 요소를 구별하기 |
| 전극 반응 위치 판별 | 1 | 전지 전극에서 산화·환원 반응의 위치를 식별하기 |
연료전지는 연료와 산화제의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 발전 장치이다. 외부 전기 충전이 필요 없고 연료를 지속 공급하면 전기를 계속 생산한다는 점에서 충전식 2차전지와 본질적으로 구별된다. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 수소와 산소의 반응으로 전기를 생성하며 고분자 막을 전해질로 사용하여 수소 이온(H+)만 통과시킨다. 연료전지는 촉매로 주로 백금계 금속을 사용하여 반응 속도를 향상시킨다.
전해질 물질에 따라 연료전지는 여러 분류로 나뉜다. 고체 산화물을 전해질로 사용하고 고온에서 운전하는 것은 고체산화물연료전지(SOFC)로, 고온 운전으로 열을 회수하여 전체 에너지 회수율을 높일 수 있다. 반면 인산형(PAFC)은 인산을, 용융탄산염(MCFC)은 탄산염을 전해질로 사용하며 운전 온도 특성이 서로 다르다는 점으로 구분한다.
건전지(일반적인 1차전지)와 다니엘 전지 등 전지 계열은 전극의 역할과 반응식으로 특징을 판단한다. 전지에서는 음극(-)에서 산화 반응이 일어나 전자를 방출하고, 양극(+)에서는 환원 반응이 일어나 전자를 소비한다. 예컨대 다니엘 전지에서는 아연이 음극에서 산화되어 Zn→Zn2++2e- 반응을 일으켜 음극 역할을 한다.
전지의 성능을 나타내는 지표로는 에너지 밀도, 충방전 횟수(수명), 자기방전율 등이 있다. 전해질은 전지의 구성 성분으로 이온 전도를 매개하여 전류 흐름을 가능하게 하는 물질인 점을 구분하여 이해해야 한다. 전지의 충전 과정은 방전의 역반응을 강제로 일으키는 과정이므로 내부 저항과 과전압 등을 극복해야 하며, 이로 인해 충전 시 인가 전압은 방전 시의 전압보다 커야 한다.
대표 계산 문제는 전기분해 생성물의 질량비 계산이다. 소금물 전기분해에서 클로린(Cl2)과 수산화나트륨(NaOH)은 생성량이 밀리몰 비율로 연결되어 있으므로 질량비를 이용해 계산한다. 예를 들어 염소가 매일 17.75 ton 생성된다면 Cl2의 분자량 71 g/mol과 NaOH의 분자량 40 g/mol을 이용해 몰수를 환산한 뒤 질량비로 NaOH 생성량을 구한다. 문제 재료의 계산 절차대로 Cl2 17.75 ton은 약 250 kmol이므로 같은 몰수에 대응하는 NaOH 질량은 250 kmol×40 g/mol = 10,000 kmol·g 단위로 환산하면 20 ton이 되어 생성량은 20 ton이 된다. 이와 같이 전기화학 생성물의 몰비와 분자량을 일관되게 적용하여 답을 도출한다.
또 다른 유형은 전극 반응의 위치 판별 문제이다. 다니엘 전지의 경우 아연이 음극에서 산화되어 Zn2+가 되므로 음극 반응을 묻는 지문에서는 아연의 산화 반응을 선택하면 정답을 얻는다. 전지의 성능 관련 문제에서는 전해질을 성능 지표가 아닌 구성 성분으로 판별하는 유형이 자주 출제되므로 구성 요소와 성능 지표를 구분하여 접근한다.
전류효율이 90%인 전해조에서 소금물을 전기분해하면 수산화나트륨과 염소, 수소가 만들어진다. 매일 17.75ton 의 염소가 부산물로 나온다면 수산화나트륨의 생산량(ton/day)은?
정답 ③ · 전해조에서의 염소(Cl2)와 수산화나트륨(NaOH) 생성 몰수는 화학양론적으로 동일합니다(2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + Cl2 + H2). 발생한 염소 17.75ton을 kg으로 환산하면 17750kg이고, Cl2의 분자량은 약 71g/mol이므로 약 250000몰이 생성되었습니다.
염소와 수산화나트륨은 화학양론적으로 1:1 몰 비율로 생성되므로, 질량비로 계산하면 20ton이다.
다음 중 직접적으로 전지의 성능을 나타내는 것이 아닌 것은?
정답 ④ · 문제는 전지의 성능을 직접적으로 나타내는 지표가 아닌 항목을 찾는 것이다. 에너지 밀도·충방전 횟수(사이클 수)·자기방전율 등은 전지 성능을 정량적으로 나타내는 지표인 반면 전해질은 전지의 구성요소로서 성능에 영향을 주는 재료이지만 그것 자체가 성능 지표는 아니다.
전지의 성능 지표는 에너지 밀도, 수명(충방전 횟수), 자기방전율 등이며 전해질은 구성 성분이다.
다니엘 전지의 (-) 극에서 일어나느 반응은?
정답 ② · 문항은 다니엘 전지에서 음극(−)에서 일어나는 반응을 묻고 있다. 다니엘 전지는 아연 전극이 산화되어 전자를 방출하는 반쪽전지로 작동하므로 음극에서의 반응식은 Zn→Zn2++2e-이다.
다니엘 전지의 음극(-)은 산화 반응이 일어나며 아연이 아연 이온으로 되는 반응이다.
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