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부식전지의 형태

by 똥글뱅이1 2024. 3. 19.

희생양극-방식법
희생양극-방식법

부식 전지

부식 전지에는 세 가지 일반적인 형태가 있다; 이종 전극 전지, 농도차전지, 그리고 온도차전지이다. 농도차 전지는 전해액의 어떤 이온의 농도차 또는 전해액에 용해된 기체(예를 들어 산소)의 농도차를 포함한다. 후자 형태의 전지를 산소 농담전지라고 한다.

이종 전극 전지

두 개의 서로 다른 금속 전극들, 하나는 구리, 다른 하나는 아연으로 구성된 전해 전지는 전기 화학반응을 한다. 산화는 양극에서 환원은 음극에서 일어난다. Daniell 전지에서, 우리는 아연 전극이 양극이고 구리 전극이 음극이라고 하였다. 그러나 어떻게 이것이 사실이고 그 역은 사실이 아닌 것을 알 수 있는가? 전기 화학반응의 방향을 결정하기 위하여, 전지를 두 개의 반쪽전지로 나눌 필요가 있다. 이것은 각 전극 및 그것과 관련된 전극반응(산화 또는 환원)은 반드시 분리된 반쪽전지 반응으로 생각되어야 한다는 의미이다. 전지 자체가 두 개의 반쪽전지 반응을 포함하고 있다.

하나는 산화반응에 대한 것으로 그리고 다른 하나는 환원반응에 대한 것으로 쓰는 것보다 위와 같이 양쪽의 반쪽전지 반응을 모두 산화반응 형태로 쓰는 것이 관례이다. 임의로 왼쪽 전극은 양극으로, 오른쪽 전극은 음극으로 생각하자. 음극반응은 환원반응이기 때문에, 반응과 반대 방향으로 일어난다. 완전한 전기 화학반응은 양극의 반쪽전지 반응에서 음극의 반쪽전지 반응을 빼줌으로써 얻을 수 있다. 그러나, 반응이 이 방향으로는 진행되고 역방향으로는 안 된다는 것을 어떻게 알 수 있는가? 각 반쪽 전지 반응은 분명한 전위를 가지고 있다. 이 전압의 값(반응의 전위)은 기준치에 대해 정해지고 많은 화학 교과서에 표로 정리되어 있다. 그렇기 때문에 전위는 절댓값으로 사용될 수 없지만, 두 반쪽 전지의 전위차가 기준값을 상쇄해 버린다. 

전체전지에서 전기 화학반응이 진행되게 하기 위해서. 전지의 전위는 양의 값이어야 한다. 만약 아연 반쪽전지 반응의 전위를 구리 반쪽전지 반응의 전위에서 빼면, 결과적인 전위는 음의 값, 즉 -1.100V이다. 반응의 양의 전위는 그 반응이 쓰여진 대로 진행될 것이라는 것을 바로 나타낸다. 어떤 개략도에서든지 왼쪽 전극을 양극이라고 가정하는 관례가 계산의 출발점으로는 합당하다. 왜냐하면, 만약 전지의 전위가 음이라면 반응은 그것이 쓰여진것과 반대 방향으로 일어날 것이기 때문이다. 만약, 전기 화학반응의 방향이 반대라면, 전위의 부호가 바뀔 것이다. 어떠한 산화반응도 전기화학 공정에 관여할 수 있고 반쪽전지 반응으로 생각할 수 있다. 이러한 반쪽전지 반응들은 항상, 전자를 반응의 오른쪽에 주어버리는 산화반응으로 기술된다.

농도차전지

농도차전지는 두 전극에서 이온농도차나 용해된 기체농도차를 포함할 것이다. 후자 형태의 전지를 산소 농담전지라고 한다. 이 농도차전지에는 두 개의 구리 전극이 사용된다. 구리 황산염 전해액은 다공성 분리막에 의해 두 부분으로 나뉘어져 있다. 한쪽엔 묽은 용액을, 다른 쪽에는 농축된 용액을 담고 있다. 묽은 용액에 담긴 구리 전극은 양극이고 농축 용액의 전극은 음극이다. 따라서 구리이온의 양이 적은 묽은 용액의 구리 전극은 부식된다.

산소 농담전지

호수 바닥 표면 위의 한 점까지 이르는 강철말뚝이 있다. 수위선 아래의 말뚝 부분은 수면 바로 아래의 말뚝 부분보다 적은 양의 산소가 용해된 물과 접촉하고 있다. 강철이건 또는 철이건, 두 점에서의 전극은 같지만 반쪽전지 반응은 다르다. 수위선 아래의 말뚝 부분에서의 반응은 철의 산화이고, 바로 아래의 말뚝 부분 에서는 반쪽전지 반응에 물, 산소, 수산기 이온들이 포함된다.

수위선 바로 아래의 철은 음극이고 물에서 더 아래쪽의 철은 양극이고 그것의 부식은 전해액을 통해 양전류를 흐르게 한다. 전류는 말뚝 자체를 통해 흐른다. 이런 방식으로 말뚝의 부식은 수면에서가 아니라 용해된 산소의 농도가 낮은 수면 아래쪽에서 일어난다. 유사하게, 볼트와 너트 조립이 젖어있으면, 부식은 산소농도가 낮은 볼트와 너트 사이의 나사선에서 일어난다.

온도차전지

온도차전지는 농도는 같지만 온도가 다른 전해액에 담긴 같은 재료로 된 두 개의 전극으로 이루어져 있다. 온도가 더 낮은 전해액에 잠긴 재료가 부식된다. 두 용액중에 낮은 온도의 전극이 양극으로 작용하고 부식된다.