볼타 전지의 기본 구조와 작동 원리

간단한 볼타 전지는 아연 판과 구리 판을 희석 황산 용액에 담근 것으로 만들어집니다. 그림에서 보이는 것처럼, 구리 판과 아연 판이 외부의 전기 부하로 연결되면, 전류가 구리 판에서 아연 판으로 부하를 통해 흐릅니다. 이는 구리 판과 아연 판 사이에 어떤 전기 잠재 차가 형성되었다는 것을 의미합니다. 전류가 구리에서 아연으로 흐르므로, 당연히 구리 판은 양극적으로 충전되고 아연 판은 음극적으로 충전됩니다.

볼타 전지 작동 원리

볼타 전지의 작동 원리는 두 가지 다른 금속이 전해질 용액에 담겨 있을 때, 더 활성적인 금속이 전해질 속으로 양이온 형태로 녹아들어가고, 이를 통해 전자가 남게 되는 원칙에 기반합니다. 이러한 현상으로 인해 더 활성적인 금속 판은 음전하를 갖게 됩니다.

덜 활성적인 금속은 전해질 속의 양이온을 끌어들이며, 따라서 이러한 양이온이 판 위에 침착되어 판은 양전하를 갖게 됩니다. 여기서 간단한 볼타 전지의 경우, 아연은 황산 용액 속에서 양이온 형태로 나오고, 이는 용액 속의 음이온인 SO4 − −와 반응하여 아연 황산염(ZnSO4)을 형성합니다. 구리는 덜 활성적인 금속이므로, 황산 용액 속의 양이온인 수소 이온이 구리 판 위에 침착되는 경향이 있습니다. 용액 속에 더 많은 아연 이온이 나오면, 아연 판에서는 더 많은 전자가 남게 됩니다. 이러한 전자들은 아연과 구리 판 사이에 연결된 외부 도체를 통해 이동합니다.

구리 판에 도달한 이러한 전자는 구리 판 위에 침착된 수소 원자와 결합하여 중성 수소 원자를 형성합니다. 이러한 원자들은 쌍으로 결합하여 수소 가스 분자를 형성하고, 마지막으로 구리 판을 따라 수소 거품 형태로 올라옵니다. 볼타 전지 내에서 일어나는 화학적 작용은 다음과 같습니다.

그러나 Zn과 희석 황산 사이의 접촉 전위가 0.62V에 도달하면 이러한 작용이 멈춥니다. 볼타 전지 작동 중, 아연 판은 그림에서 보이는 것처럼 인접한 용액 막에 대해 낮은 전위를 갖습니다.

비슷하게, 구리 판이 전해질과 접촉할 때, 용액 속의 양이온인 수소 이온은 구리 판 위에 침착될 경향이 있으며, 그 결과 구리 판의 전위는 용액보다 약 0.46V 상승합니다. 따라서, 볼타 전지에서 발생하는 전기 잠재 차는 0.62 - (-0.46) = 1.08V입니다.

간단한 볼타 전지에는 주로 두 가지 단점이 있는데, 이는 극화와 국소 작용이라고 합니다.

볼타 전지의 극화

이 전지에서는 전류가 점차 감소하며, 일정 시간 동안 작동한 후에는 전류가 완전히 중단될 수 있습니다. 이 전류 감소는 구리 판 위에 수소가 침착되기 때문입니다. 수소는 전지에서 거품 형태로 나오지만, 여전히 구리 판 표면에 얇은 수소층이 형성됩니다. 이 수소층은 전기적인 절연층 역할을 하여 전지의 내부 저항을 증가시킵니다. 이 절연층 때문에 추가적인 수소 이온이 구리 판에서 전자를 얻어 침착되는 것이 방해받습니다. 구리 판 위의 양수소 이온층은 접근하는 다른 수소 이온에 대해 반발력을 행사하므로, 전류가 감소합니다. 이러한 현상을 극화라고 합니다.

볼타 전지의 국소 작용

볼타 전지가 전류를 공급하지 않는 상태에서도 아연이 계속해서 전해질에 녹는다는 사실이 발견되었습니다. 이는 상업용 아연에 철이나 납과 같은 불순물이 포함되어 있어 작은 국소 전지를 형성하고, 이러한 국소 전지는 주요 아연 몸체에 의해 단락되므로, 아연의 일부가 낭비되는 현상입니다. 이러한 현상을 국소 작용이라고 합니다.

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