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화학이야기

전지의 발견

by ^^____^^ 2022. 5. 5.
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우리가 흔히 쓰고 있는 전지 세계로의 문을 연 첫 번째 과학자는 바로 루이지 갈바니입니다. 원래 그는 해부학자였지만, 어느 날 근육 운동을 연구하기 위해서 개구리 다리로 실험을 했습니다. 발코니와 연결된 연구실 창문에는 쇠창살이 있어 갈바니는 개구리의 한쪽 다리를 놋쇠 갈고리를 이용해 쇠창살에 걸었습니다. 과학의 위대한 발견에서 흔히 볼 수 있듯이 이 경우에도 우연이 큰 작용을 했습니다. 구리는 아연과 함께 놋쇠의 주요 성분으로, 서로 다른 귀금속도 작용했지만, 결정적인 것은 고정한 방식이었습니다. 놋쇠 갈고리가 쇠창살의 윗부분에 걸렸고, 이 갈고리의 아랫부분에 개구리 다리가 고정되었습니다. 이로써 놋쇠 갈고리가 개구리 다리의 신경과 연결된 것입니다. 여기에다 또 다른 행운이 겹쳤는데, 바로 바람이었습니다. 바람이 불자 개구리 다리는 흔들리다가 때때로 쇠창살에 닿았는데 그때마다 경련을 일으키며 움찔거렸습니다.

 

갈바니는 노련한 해부학자이긴 했지만, 개구리 다리가 움찔거리는 이유는 알지 못했습니다. 그래서 그는 우리가 지금 알고 있는 사실을 추론해 낼 수는 없었습니다. 개구리 다리가 쇠창살에 닿을 때마다 전기회로가 생겼고, 전기회로에서는 전자들이 이동했습니다. 즉, 전자들이 쇠창살에서 놋쇠 갈고리로 흘렀고, 이곳에서 개구리 다리의 체액에 있는 이온을 통해 다시 쇠창살로 이동한 것입니다. 즉, 이 실험에서는 개구리 다리가 전기계량기 역할을 한 셈입니다. 하지만 갈바니는 이를 단지 생명현상으로 파악했습니다.

 

이 발견은 자연과학의 두 분야에 큰 영향을 미쳤습니다. 첫째, 이 발견은 신경계에서 전기에너지를 전달하는 연구의 출발점으로 통하게 됩니다. 둘째, 갈바니의 이름은 오늘날까지도 화학 에너지가 전기에너지로 되는 장치를 지칭하는 용어로 쓰이고 있습니다. 갈바니는 자신의 연구가 미치는 영향을 제대로 파악하지 못했지만, 이 장치는 갈바니 전지로 불리고 있습니다.

 

알레산드로 볼타는 갈바니의 작업을 계속 이어 나갔습니다. 하지만 이 두 과학자 사이에 큰 논쟁이 벌어졌습니다. 왜냐하면 갈바니가 자신의 실험을 통해 동물 전기를 발견했다고 주장했기 때문입니다. 이와는 달리 볼타는 개구리 다리가 경련을 일으킨 이유를 서로 다른 두 금속에서 찾았습니다. 이는 오늘날의 시각에서 보면 타당한 일이었습니다. 하지만 논쟁은 갈바니가 세상을 떠나면서 아쉽게 종결이 되었습니다.

 

볼타는 서로 다른 금속들의 결합과 전해질의 중요성을 깨달았습니다. 그는 금속들의 결합을 혀로 검토했고, 이처럼 여러 금속의 결합으로 생기는 전류의 다양한 맛을 조사했습니다. 볼타는 직렬연결의 원리를 알고 있었기 때문에 비교적 높은 전압과 강한 전류를 만들어 낼 수 있었습니다. 그는 구리판과 아연판을 번갈아 쌓은 다음 그 판들 사이에 소금물에 적신 천을 끼워 넣어 최초의 전지를 만들었는데, 이런 그의 업적을 기념하여 볼타 전지로 부르게 되었습니다. 이 연구로 유명해진 볼타는 빈에서 황제 요제프 2세, 베를린에서는 프리드리히 대제와 같은 정계의 거물들과 만났고 파리에서는 나폴레옹 황제 밑에서 일하기도 했습니다. 세상을 떠난 지 70년이 지나서야 볼타는 뒤늦게 영예를 안아 전압의 물리학적 측정 단위인 볼트에 그의 이름이 쓰이게 되었습니다.

 

존 프레더릭 다니엘은 최초로 두 가지 반응 금속을 반응 공간에서 분리를 했습니다. 반응 공간에는 소금 용액을 채운 다음 각각 아연과 구리를 넣었습니다. 또한 이 반응 공간을 투과성이 있는 벽으로 분리되었습니다. 다니엘 전지로 불리는 이 장치는 비교적 장시간 쓸 수 있는 많은 양의 전류를 공급합니다. 아연은 전자를 내어주고 녹으면서 산화를 하게 됩니다. 이렇게 아연이온이 생겨 수용액으로 들어가게 됩니다. 전자들은 도선을 통해 이동합니다. 이로써 전자들을 이용할 수 있는 것입니다. 두 부분은 검게 채색되고 다른 두 부분은 희게 채색되어 모두 네 구획으로 나누어진 회로 표시는 백열전구 같은 전기를 소비하는 기구를 나타냅니다. 전자들은 다른 반응 공간에 전자를 받는, 다시 말해 환원되는 반응 파트너가 있기 때문에 이동을 합니다.

 

반응 파트너는 황산구리 수용액 속에 들어 있는 구리 양이온입니다. 구리 양이온은 2개의 전자를 얻어 구리 원자가 되는데, 이 원자는 구리 전극에 축적됩니다. 이로써 구리 전극의 전류는 점점 세지게 되는 것입니다. 두 전극 사이에 세로로 그어진 점선은 투과성이 있는 분리막을 표시하는데, 다니엘이 활동하던 당시에도 이용되었습니다. 이 분리막을 오늘날에는 전해질 다리 또는 염다리로 불리고 있습니다. 이를 확인하기 위한 간단한 실험에서는 필터지를 이용해도 됩니다. 중요한 점은 반응 공간 사이에 이온이 통과할 수 있는 연결통로가 있어야 한다는 점입니다.

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