| | | 배터리 상식 |
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 | | Cathode와 anode의 개념에 관하여 |
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| 2007/07/18 (16:53) |
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| 작성자 : 운영자
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조회수 : 66804 |
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리튬 2차전지를 취급하다보면 가장 혼란스러운 부분이 cathode 및 anode 단어일 것이다. 일반 영한사전에는 "anode"를 (전해조) 양극, 애노드, (1차전지 및 축전지) 음극"으로, 그리고 "cathode"는 "(전해조) 음극, 캐쏘드, (1차전지 및 축전지) 양극"으로 풀이되는 경우도 있어서 화학을 처음 배우는 사람들은 어리둥절하지 않을 수 없다. 더욱이 일본에서는 전지계의 경우에는 "anode"를 "부극"(負極)으로 "cathode"를 정극(正極)으로 표기하고 있어서 더욱 혼란스럽다.
일반적으로 전지 전압은 다음과 같이 표현된다.
전지 전압 = /(양극의 전압) - (음극의 전압)/
전기포텐셜의 상대적인 크기만을 근거로 하면, 상대적으로 높은 전위를 가진 전극을 양극이라 하고, 낮은 전위를 가진 전극을 음극이라 정의한다.
예를 들면 A 전극은 +2V, B 전극은 +1 V, C 전극은 0V 라고 하자.
A 전극과 B 전극이 조합된 전지의 경우 전지 전압은 (2V) - (1V) = 1V 가 된다. 이때 A 전극은 양극이 되고, B 전극은 음극이 된다.
B 전극과 C 전극이 조합된 전지의 경우 전지 전압은 (1V) - (0V) = 1V 가 된다. 이때 B 전극은 양극이 되고, C 전극은 음극이 된다. 즉, B 전극의 경우 상황에 따라서 양극이 되기도 하고, 음극이 되기도 한다.
원래, "anode"와 "cathode"는 전극에서 일어나는 화학반응을 근거로 결정된다. 용액중의 화학종이 산화되면서 나오는 전자기 전극으로 흘러가게 되면 "anode"라고 하고, 반대로 전극에서 전자를 받아서 용액중의 화학종이 환원이 되면 "cathode"하고 부른다. 전극을 "anode" 와 "cathode"로 부르는 경우에는 두 전극의 전기 포텐셜의 상대적인 크기는 전혀 고려하지 않는다. 그래서 리튬이온차전지의 경우 Cathode와 anode 용어는 전기화학반응식을 살펴보면 명확히 이해할 수 있다.
** 참고 : 1999년 39권 6호 '화학세계'에 실린 이화여자대학교 화학과의 이종목 교수님 글
화학술어의 사용은 화학을 접하게 되는 젊은 학생들에게 큰 영향을 미친다. 그러나 현재 시중의 중·고등학교와 대학의 교과서를 포함한 화학 관련 문헌에 "anode"와 "cathode"의 정의가 분명하지 않아 혼란이 일어나고 있다. 특히 일반 영한사전에는 "anode"를 (전해조) 양극, 애노드, (1차전지 및 축전지) 음극"으로, 그리고 "cathode"는 "(전해조) 음극, 캐쏘드, (1차전지 및 축전지) 양극"으로 풀이되는 경우도 있어서 화학을 처음 배우는 사람들은 어리둥절하지 않을 수 없다. 더욱이 일본에서는 전지계의 경우에는 "anode"를 "부극"(負極)으로 "cathode"를 정극(正極)으로 표기하고 있어서 더욱 혼란스럽다. "anode"와 "cathode"는 전극에서 일어나는 화학반응을 근거로 결정된다. 용액중의 화학종이 산화되면서 나오는 전자기 전극으로 흘러가게 되면 "anode"라고 하고, 반대로 전극에서 전자를 받아서 용액중의 화학종이 환원이 되면 "cathode"하고 부른다. 전극을 "anode" 와 "cathode"로 부르는 경우에는 두 전극의 전기 포텐셜의 상대적인 크기는 전혀 고려하지 않는다.
자발적인 산화-환원 반응이 일어나는 갈바니 전지(Galvanic cell)의 경우에는 전자를 받게 되는 "anode"의 포텐셜이 전자를 잃게 되는 "cathode"의 포텐셜보다 낮아지게 된다. 그래서 건전지와 같이 시중에서 판매되는 전지의 "anode"는 "-"로 표시하고 "cathode"는 "+"로 표시한다. 그런데 외부의 전류를 이용해서 비자발적인 산화-환원 반응을 일으키는 전해전지(electrolytic cell)의 경우에는 산화반응이 일어나는 "anode"의 포텐셜이 "cathode"의 포텐셜보다 오히려 더 높게 된다. 외부에서 공급되는 전자가 밀집되는 전극은 전기 포텐셜이 낮아지고 전자가 용액중의 화학종으로 옮겨가면서 환원반응이 일어날 가능성이 높아지고, 상대적으로 전자를 잃게되어 전기포텐셜이 높아진 쪽에서는 용액중의 화학종에서 전자가 전극으로 옮겨가면서 산화 반응이 일어날 가능성이 높아지는 것이다.
이렇게 정의된 "anode"와 "cathode"라는 술어는 아무런 문제가 없는데, 왜 우리말로 옮기면 문제가 될까? 영어 술어와는 달리 우리말의 "음"(陰)과 "양"(陽)에는 상대적인 크기의 개념이 포함되어 있기 때문이다. 우리에게 익숙한 동양철학에 의하면 "양"은 "음"보다 "위"에 놓이게 되는 경우가 대부분이기 때문에 우리는 무의식중에 "양극"이 "음극"보다 전기 포텐셜이 높은 것으로 인식하게 된다는 뜻이다. 그래서 산화 반응이 일어나는 전극의 포텐셜이 더 높은 전해 전지의 "cathode"를 "양극"으로 부르고, 포텐셜이 낮은 "cathode"를 "음극"으로 부르는 데에는 아무런 문제가 없다. 그러나 전기 포텐셜의 상대적인 크기가 서로 바뀌는 갈바니 전지의 경우에는 "양극"과 "음극"에서 일어나는 화학 반응이 달라지게 되어서 혼란이 생기는 것이다. 이런 혼란을 해결하는 방법은 두 가지가 있을 수 있다.
첫째는 "anode"와 "cathode"처럼 상대적인 크기의 개념이 포함되어 있지 않은 우리말 술어를 사용하는 것이고, 그것이 바로 "산화전극"과 "환원전극"이다. 이 방법은 전지의 종류에 상관없이 사용할 수 있다는 장점이 있다.
둘째는 전기 포텐셜의 상대적인 크기만을 근거로 "양극"과 "음극"을 정의하고, 각각의 전극에서 일어나는 화학반응의 종류는 전지의 종류에 따라 다르게 해석하는 방법이다. 두 가지 방법이 나름대로의 정당성을 가지고 있다. 그렇지만 두 가지 방법을 모두 허용하게 되면 전기화학에 대한 충분한 이해가 없는 학생들에게는 불필요한 혼란을 불러올 가능성이 매우 높은 것이 사실이다. 그래서 지금부터라도 전극에서 일어나는 화학반응을 근거로 "anode"를 "산화전극", "cathode"를 "환원전극"이라고 통일하여 사용한다면 혼동을 피하는 데에 도움이 될 것으로 생각된다.
"anode"와 "cathode"라는 술어가 처음에 어떻게 도입되었는가를 살펴보면 이런 주장이 더욱 타당한 것임을 더 잘 알 수 있다. "anode(산화 반응이 일어나는 전극)", "cathode(환원반응이 일어나는 전극)", "ion(이온, 그리스어로 'wanderers(방랑자)'라는 의미)"등의 술어는 "패러데이 법칙(Faraday's law)"으로 잘 알려진 마이클 패러데이(Michael Faraday)에 의해서 도입되었다. 패러데이는 "anode"와 "cathode"를 각각 "산화 반응이 일어나는 전극"과 "환원 반응이 일어나는 전극"으로 정의하였다. 산화 반응이 일어나는 "anode"의 주변에는 전지를 전극에 주고 산화되어서 산화 상태가 증가한 화학종이 많아지게 된다. 화학종의 산화 상태가 증가하는 것은 전해질 용액에 상대적으로 양전하가 증가하는 것을 뜻하고, 용액의 전기적 중성을 유지하기 위해서 용액 중에서 음전하를 가진 이온이 "anode" 주변으로 이동하게 된다. 반대로 "cathode"의 주변에는 용액 중에서 양전하를 가진 이온이 몰려들게 된다. 패러데이는 이러한 관찰에서부터 "anode"쪽으로 이동하게 되는 음전하를 가진 이온을 "anion"으로 정의하였고, "cathode"쪽으로 이동하게 되는 양전하를 가진 이온을 "cation"으로 이름 붙였다. 즉, "양이온"(cation)과 "음이온" (anion)이라는 술어도 사실은 전극에서 일어나는 화학 반응의 종류에 의해서 붙여진 이름이다. 다만, 전기 포텐셜의 상대적인 크기가 포함되어 있지 않기 때문이다.
"anode"를 "산화전극", "cathode"를 "환원전극"으로 통일하여 사용하는 것에 덧붙여서 산화는 전자가 용액 속의 화학종에서 전극으로 이동하는 것, 환원은 전자가 전극에서 용액 속의 화학종으로 이동하는 것임을 기억한다면 더 좋을 듯하다. 여기서 보듯이 "anodic"이니 "cathodic"이니 하는 것은 전자흐름의 방향(전류)만을 뜻하고, 전기 포텐셜의 높낮이를 이야기하는 것이 아니다. 영어로 표시할 때에도, "anodic current(산화전류)"는 올바른 용어이지만, "anodic potential"은 올바른 용어가 아니며 "more positive potential"이 올바른 용어임을 생각할 때, 전극을 양극과 음극으로 표시하는 것보다는 산화전극과 환원전극으로 표시하는 것이 타당하다고 생각된다.
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