전지 — 산화환원에서 전자 흐름 얻기

부식에서는 산화환원이 금속 표면 한 자리에서 맞물려 끝납니다. 전자 이동이 표면 안에서 마무리되므로 따로 꺼내 쓰기 어렵습니다. 전지는 같은 산화환원을 두 자리로 갈라 놓고, 그 사이를 도선으로 잇습니다. 그러면 전자 이동이 도선 위의 흐름으로 드러나, 전구를 켜거나 휴대폰을 움직이는 일에 쓸 수 있습니다.

전지를 "전기를 만드는 물건"이라고 외우면 작동 원리가 흐려집니다. 전지는 새로 전기를 만들어 내는 장치가 아니라, 화학 변화 안의 에너지를 우리가 쓸 수 있는 전기 에너지로 바꾸어 주는 장치입니다. 산화환원이 일어날 때 생기는 전자 이동을 도선이라는 한 길로 모아 흐름이 되도록 한 셈입니다.

부식은 한 자리, 전지는 두 자리#

부식과 전지는 같은 산화환원 지도 위에 있고, 자리만 다릅니다.

전지에는 두 반응 자리가 필요합니다. 이 두 자리를 전극이라고 부릅니다. 한쪽 전극에서는 전자를 잃는 산화가, 다른 전극에서는 전자를 얻는 환원이 일어납니다. 두 전극을 잇는 줄이 도선입니다. 전자는 전해질 용액 속을 헤엄쳐 다니는 것이 아니라, 바깥 도선을 따라 한쪽에서 다른 쪽으로 이동합니다. 그 길에 전구나 작은 장치를 놓으면 전자의 흐름을 일로 바꿀 수 있습니다.

다니엘 전지로 보는 두 반쪽#

기본 전지 모형은 다니엘 전지입니다. 아연판은 묽은 황산아연 용액에, 구리판은 묽은 황산구리 용액에 담그고 두 용액 사이에는 이온이 오갈 수 있는 길을 둡니다. 아연판과 구리판을 도선으로 이으면 전자가 한 방향으로 흐릅니다.

아연판에서는 아연 원자가 전자를 잃고 아연 이온이 됩니다. 구리판에서는 구리 이온이 전자를 받아 구리 금속으로 자리잡습니다.

전체식만 보면 부식과 다르지 않아 보입니다. 다른 점은 자리입니다. 산화와 환원이 서로 다른 전극에서 따로 일어나고, 그 사이 도선에 전자 흐름이 남습니다.

레몬을 전해질로 쓰고 서로 다른 두 금속을 꽂으면 아주 낮은 전압의 전지가 만들어집니다. 이른바 레몬 전지입니다. 다만 이것은 직접 따라 해 보는 활동이 아니라, 다니엘 전지와 같은 원리가 일상의 재료에서도 그대로 작동한다는 관찰 예시로 받아들이면 됩니다.

1차 전지와 2차 전지#

전지는 일상에서 크게 두 갈래로 만납니다. 기준은 다시 충전해서 쓸 수 있느냐입니다.

방전은 전지가 전기를 내어 놓으며 일하는 과정입니다. 손전등을 켜거나 리모컨을 누를 때 전지는 방전하고 있습니다. 충전은 다시 쓸 수 있는 전지에 전기 에너지를 넣어 상태를 되돌리는 과정입니다.

1차 전지는 임의로 충전하면 안 됩니다. 누액, 가스 발생, 파손 같은 위험이 생길 수 있어, 제품 표시와 분리배출 안내를 따라야 합니다. 리튬 이온 전지는 가볍고 많은 에너지를 저장할 수 있어 휴대폰, 노트북, 전기차에 널리 쓰이지만, 안전한 껍데기와 보호 회로 안에서만 안전합니다. 분해하거나 구멍을 내거나 가열하거나 두 단자를 직접 연결하거나, 부푼 배터리를 그대로 쓰는 일은 피해야 합니다.

전지의 작동 원리 자체는 다니엘 전지와 같습니다. 산화환원을 두 자리로 나누어 전자 흐름을 꺼내 쓴다는 생각이 1차 전지에도, 2차 전지에도 똑같이 적용됩니다. 차이는 그 흐름을 한 번 쓰고 끝내느냐, 외부 전원으로 되감아 다시 쓰느냐에 있습니다. 2차 전지의 충전은 산화환원의 방향을 외부 전기로 거꾸로 돌리는 일이고, 방전은 다시 그 방향이 자연스러운 쪽으로 돌아가는 일입니다.

전류의 방향과 전자의 방향을 혼동하기 쉬운데, 회로에서 전류는 양극에서 음극으로, 전자는 음극에서 양극으로 이동한다고 약속되어 있습니다. 부호만 반대일 뿐 같은 흐름의 두 가지 표현입니다. 전지를 다룰 때 중요한 것은 어느 자리에서 산화가 일어나고 어느 자리에서 환원이 일어나는가, 그리고 그 사이 도선에 전자 흐름이 남는다는 사실입니다.