콘센트가 없는 곳에서도 우리는 전기를 이용하고 있다는 것, 아시죠? 우리가 손에서 거의 놓지 않는 휴대폰, 어디든 편리하게 이동할 수 있는 자동차, 손목에 차고 있는 시계까지, 전선으로 연결되어 있지 않아도 실은 모두 전기를 사용하고 있는 것이랍니다. 이렇게 언제 어디서든 자유롭게 전기를 사용할 수 있는 것은 바로 우리가 흔히 배터리라고 부르는 전지라는 것이 있어 가능한 것입니다 .
 

전지는 언제부터 시작하여 우리 주변에서 이렇게 유용하게 쓰이고 있는 것일까요? 전지 속에 담긴 화학을 지금부터 알아봅시다.
전지는 산화 환원 반응으로 이루어져 있습니다.
여러분, 산화라는 말을 들으면 무엇이 연상되나요? 아마 녹슨 철이 가장 먼저 떠오르지 않을까요?

녹슨 철의 이야기 전에 일단 산화 환원에 대한 뜻부터 짚고 가겠습니다. 산화(Oxidation)는 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 '잃는' 것을 말하고, 환원(Reduction)은 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 '얻는' 것을 말합니다. 원래 고전적인 의미의 산화와 환원은 산소 원자의 이동을 말하였지만, 지금은 산소의 이동보다는 전자의 이동에 주목하고 있습니다.
다시 녹슨 철로 돌아와서 살펴보겠습니다. 철이 녹슨다는 것은 산화되어 부식되는 것인데요, 원자 상태의 철(Fe)이 산소와 결합하여 산화철(Ⅲ)(Fe2O3)로 변하는 것입니다. 이 산화철은 붉은색을 띄는데 물에 개어 염료로 쓰기도 한답니다. 철이 녹슬면 철 원자들이 모여 있던 금속의 광택이나 연성(가늘게 뽑히는 성질), 전성(넓게 펴지는 성질)은 사라지고 푸석푸석한 붉은색 가루가 되어 화학 변화가 일어나면서 성질이 완전히 달라집니다. 원자 상태의 철(Fe)은 이온 상태의 철 이온(Fe3+)이 되면서 산소와 결합하여 화합물이 되었습니다. 이처럼 산화 환원에는 전자의 이동이 이루어집니다.
전자의 이동이라 하면 전기가 떠오르시나요?
전기는 전자에 의해 생기는 에너지입니다. 과학 교과서에서는 '(-) 전하를 띤 전자가 도선을 따라 이동하면서 전하를 운반하고, 이처럼 전하가 한 방향으로 이동하는 것을 전류'라고 합니다. 전자가 이동하게 되어 전하의 유의미한 이동이 이루어지면 전류가 흐른다고 이해할 수 있습니다.
전자의 이동을 최초로 시도한 것이 바로 볼타 전지입니다.

볼타 전지는 아연(Zn) 막대와 구리(Cu) 막대를 전선으로 연결하고 묽은 황산(H2SO4) 수용액에 담가 아연 막대에서 아연의 산화반응을 통하여 형성된 전자가 구리 막대 쪽으로 이동하게 되고, 이 때 흐르는 전하의 흐름을 통해 전류를 얻게 되는 것입니다. 한편 구리 막대에서는 구리가 환원되지 않고 묽은 황산 수용액 속의 수소 이온(H+)이 수소 기체(H2)로 환원반응이 일어나면서 화학 전지가 되는 것입니다. 이 때 전압은 이론적으로 0.76V 정도로 예상되므로 공업, 산업에서 사용하기에는 무리가 있는 점이 있습니다. 그리고 수소 기체가 생기면서 구리 막대와 황산 수용액을 차단하기 때문에 전류의 흐름을 방해해 전압이 떨어지는 분극 현상이 일어나게 되어 더욱더 실용성이 떨어집니다.
여러분, 혹시 한천이라고 들어보셨나요? 그 후에 한천이라는 재료를 가지고 '염다리'를 만들어 새로운 화학 전지를 기획하는데 이것이 바로 '다니엘 전지'입니다.
다니엘 전지는 1896년 영국의 화학자 다니엘(John Fredrick Daniel)이 만들었는데, 반응식은 아래와 같습니다.

산화 반쪽 반응: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- 환원 반쪽 반응 : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) 전체 반응: Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2 + (aq) + Cu(s) 전지의 표시법: Zn(s) | Zn2+(aq) || Cu2+| Cu(s) 다니엘 전지의 구조: 아연판(CI 1M ZnSO4 용액) + 솜마개 - 염다리 - 구리판(K+ 1M CuSO4 용액)

다니엘 전지는 볼타전 지에서 보였던 문제점인 분극 현상을 감소시켰으며 아연의 산화 반응을 통해 나온 전자를 구리판에서 이루어지는 구리의 환원 반응에 쓰이도록 이동시키는 구조를 가지고 있습니다. 염화칼륨을 녹여 만든 한천으로 만든 염다리를 투입하여 황산구리(CuSO4) 용액에서 사라지는 양이온을 칼륨으로 채워가며 반응이 지속되도록 만들어진 것입니다. 학교에서 충분히 해볼 수 있는 실험이니 꼭 한번 도전해보세요!
갈바니의 개구리 뒷다리를 통한 동물전기 실험과 그로부터 출발한 초기의 화학 전지는 현재 우리가 사용하는 전지와는 많이 달랐지만 이러한 시도가 있었기에 지금 우리는 편리한 생활을 누리고 있는 것입니다. 그리고 지금도 더욱더 좋은 전지를 개발하고자 많은 노력을 기울이고 있습니다. 다양한 전지 제조업체에서는 가볍고 작으면서도 오래 사용할 수 있는 전지를 개발하려고 시도하고 있으며, 휴대폰 제조사, 화학 회사에서는 제품의 크기와 두께를 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 특히 최근에는 배터리가 분리되지 않는 일체형 전자제품의 수요가 늘어나 다양한 형태의 배터리와 휘어짐(Flexible)이 가능하도록 하는 연구 결과가 속속 등장하고 있습니다.
새로운 배터리를 통한 하이브리드 자동차, 수소 연료 전지 자동차, 태양광 전지를 통한 자동차들.. 많이 들어보셨죠? 앞으로는 필요에 따라 더욱더 다양한 이동수단이 개발되고 사용될 것입니다. 가령 몸이 불편한 사람들을 위한 이동수단 같은 것 말입니다. 그리고 이에 따라 다양한 전지가 필요해질 것입니다.
화학 전지와 산화 환원 반응을 이해하면서 여러분도 더욱 더 독특한 전지를 생각해보면 어떨까요? 앞으로의 연구는 바로 여러분이 몫이니까요!

● 그림 및 사진 출처

1) http://media.daum.net/digital/device/newsview?newsid=20140424132106181
2) http://blog.naver.com/doctc222/40133558943
3) http://blog.naver.com/ntime1004/70135479162
4) http://www.goodmorningcc.com/news/articleView.html?idxno=32771
5) 사이언스올
6) 볼타가 개발한 볼타전지 : 위키피디아