전기화학

전압은 세기 성질입니다. 온도나 밀도처럼, 양을 두 배로 해도 두 배가 되지 않는 성질입니다. 뜨거운 물 두 컵을 합쳐도 온도가 두 배가 되지 않는 것과 같습니다. 전극을 크게 하면 반응할 수 있는 물질의 총량이 늘어 더 오래 쓸 수 있게 되지만, 한 번에 밀어내는 힘인 전압은 그대로입니다. 건전지를 여러 개 직렬로 이어야 전압이 커지는 것도 이 때문입니다.

농도차만으로도 전지가 됩니다. 이 화면은 양쪽 모두 구리 전극에 황산구리 용액입니다. 표준 전위 차이가 정확히 0 이라 전압이 0 이어야 할 것 같지만, 농도가 다르면 전압이 생깁니다. 자연이 농도를 같게 만들려는 방향으로 반응을 밀기 때문입니다. 진한 쪽에서는 구리 이온이 전극에 달라붙어 줄어들고, 묽은 쪽에서는 전극이 녹아 이온이 늘어납니다. 두 농도가 같아지는 순간 전압은 0 이 되고 전지는 멈춥니다.

네른스트 식은 로그입니다. 농도비를 10배 벌리면 29.6 mV(n=2 일 때), 100배 벌려도 59.2 mV 밖에 안 됩니다. 두 배 겨우 됩니다. 농도로 큰 전압을 만드는 건 몹시 비효율적이라, 실제 전지는 서로 다른 금속을 써서 표준 전위 차이 자체를 크게 만듭니다. 아연-구리 전지는 이것만으로 1.1 V 를 냅니다.

염다리는 전자가 아니라 이온이 지나는 길입니다. 전자는 바깥 도선으로만 흐릅니다. 그런데 한쪽에서 전자가 빠져나가면 그쪽 용액에 양전하가 쌓이고, 이 전기적 불균형이 즉시 반응을 멈춰 세웁니다. 염다리 속 이온이 이동해 이 불균형을 풀어 주기 때문에 반응이 계속됩니다. 염다리를 빼면 전지는 몇 초 만에 멈춥니다.

전지가 죽는 건 전자가 떨어져서가 아닙니다. 전자는 물질 안에 얼마든지 있습니다. 전지가 멈추는 이유는 반응물이 소모되고 생성물이 쌓여 평형에 도달했기 때문입니다. 평형에서는 Q 가 평형 상수 K 와 같아지고 E 는 0 이 됩니다. 우리 몸의 신경 세포도 안팎의 이온 농도차로 전압을 만드는 농도차 전지이고, 그 전압이 약 −70 mV 입니다.