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물의 전기 분해

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

위 사진은 전기를 이용해서 물을 수소 기체와 산소 기체로 분해하는 실험을 보여주고 있습니다.

두 시험관 중에 어느 시험관에 산소 기체가 모이고 있는지 맞추실 수 있나요?

이번 시간 공부를 마치고 나면 쉽게 답하실 수 있을거에요.

이 자료를 공부하기 전에 화학 부분 기초인 원소 기호, 이온, 화학식은 모두 복습하고 오셔야겠죠?

또한 이 실험을 왜 하는지 아시려면 물질관의 역사적 변화도 알고 오셔야 합니다.

자, 그럼 시작해볼까요?

※ 이 포스팅에 사용된 사진 중 일부는 도서 『Principles of General Chemistry』에서 발췌한 것이며 링크는 아래와 같습니다.

http://2012books.lardbucket.org/books/principles-of-general-chemistry-v1.0/index.html

*** 이 실험을 하는 이유

물질관의 역사적 변천사를 공부하면 알게되겠지만 오랫동안 ‘물’은 물질의 기본 성분으로 인정되었습니다.

물이 만약에 물질의 기본 성분인 ‘원소’라면 다른 물질로 절대 분해되지 않겠지요.

하지만 라부아지에는 뜨거운 주철관에 물을 부어 수소 기체와 산소 기체로 분리함으로써 물이 원소가 아님을 증명하였습니다.

물이 원소의 하나라는 ‘아리스토텔레스의 4원소설’을 깨버린 것이죠.

우리가 지금 알아보려는 물의 전기분해 실험도 마찬가지 입니다.

물을 전기를 이용해 분해하여 ‘물이 원소가 아니다’라는 것을 증명하기 위해서 입니다.

*** 실험 장치 & 방법

다시 실험 장치 사진을 보겠습니다.

실험 장치는 간단합니다.

비커에 순수한 물을 넣고 배터리를 연결하여 한쪽 시험관은 (+)극, 한쪽 시험관은 (-)을 연결해줍니다.

이때 물에다가 수산화나트륨(NaOH)을 조금 녹여서 전류가 흐를 수 있도록 해줍니다.

순수한 물은 전기가 흐르지 않거든요.

이렇게 장치한 후 전류를 흘려주면 각 시험관에 기체가 모이기 시작합니다.

물이 두 가지 종류의 기체로 분해가 되는 것이죠.

※ 순수한 물은 왜 전류가 흐르지 않을까요? 전류가 흐르기 위해서는 전기적 성질을 띤 입자, 즉 이온이 있어야 합니다.

하지만 순수한 물은 물 분자(H2O)만 존재하기 때문에 전기적으로 중성인 상태죠.

그래서 전류를 흐르게 하기위해 수산화나트륨(NaOH)을 조금 녹입니다. 수산화나트륨은 물에 녹아서 양이온인 나트륨 이온(Na+)과 음이온인 수산화 이온(OH-)으로 이온화가 됩니다. 이 이온들은 전기적 성질을 가지고 있기 때문에 물에 전류가 흐를 수 있도록 해줍니다.

어떤 시험관에 어떤 기체가 모이게 될까요?

실험 결과를 한 번 알아보도록 할게요.

*** 실험 결과 & 확인

■ 실험 결과

먼저 분자 모형으로 이 실험 결과를 이해해봅시다.

물 전기 분해를 간단하게 분자 모형으로 나타냈습니다.

2개의 물 분자(2H2O)가 수소 기체(2H2) 2분자와 산소 기체(O2) 1분자로 분해가 되네요.

기체가 모이는 부피의 비율 도 [ 수소 : 산소 = 2 : 1 ] 이 됩니다.

실험 결과 사진을 또 보시죠.

시험관에 모인 기체의 부피가 [왼쪽 : 오른쪽 = 1 : 2] 로 나뉜 것 보이시나요?

(-)극(Cathode)에는 수소 기체 가 모이고,

(+)극(Anode)에는 산소 기체 가 모였습니다.

만약 어느 극에 어떤 기체가 모이는지 잘 외워지지 않는다면 이온식을 떠올려 보세요.

수소 이온(H+)은 양이온이죠? 그럼 어떤 전극에 끌릴까요? 네, 바로 (-)극이죠.

산화 이온(O2-)은 음이온이니까 (+)극에 끌려가겠죠. 자석의 N, S극 처럼요.

■ 기체의 확인

▶ (+)극 – 산소 기체

불씨만 남은 향불을 대어봅니다.

산소 기체는 연소를 활발하게 해주기 때문에 향불이 다시 타오르게 됩니다.

▶ (-)극 – 수소 기체

초등학교 때 실험했던 것처럼 성냥불을 가까이 하면 ‘퍽’하는 소리를 내며 타게 됩니다.

*** 정리

물 전기 분해 실험은 물이 원소가 아님을 증명하기 위한 실험 입니다. 물을 전기 분해하면 수소 기체 : 산소 기체 = 2 : 1 부피비 로 분해가 되며, (-)극 – 수소 기체 / (+)극 – 산소 기체 가 모입니다. 이 실험에서 수산화나트륨 은 전류를 흐르게 하기 위해 넣습니다.

물 분해 실험은 앞으로 교과서, 참고서, 각종 문제에서 자주 볼 실험입니다.

이 실험의 과정, 원리, 결과를 잘 이해하시고 암기할 부분은 꼭 암기하도록 하세요.

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