1. 캐소드와 애노드
전극은 전도성이 있는 물질로서, 용도에 따라 모양과 재질이 다른 형태를 가지고 있다. 전지나 전자기기 등에서의 주요부품으로 사용되는 전극은 보통 쌍으로 사용된다. 전극은 전류나 전자를 필요한 기기에 흘려주거나 직접 화학반응에 참여하기도 한다. 이러한 전극은 양극과 음극으로 구성되어있고, 이를 캐소드와 애노드라 부른다.
캐소드와 애노드는 전기화학의 아버지라 칭송받는 패러데이가 명명한 것으로 알려져 있다. 전지 또는 전기분해 용기에는 전극이 쌍으로 사용된다. 2개의 전극 각각에서 산화 혹은 환원 반응은 상황에 따라 변화하게 된다. 이에 따라 전극에서 진행되는 반응을 구별하고 설명하는 방법으로 전극을 캐소드와 애노드라 불렀다. 일반적으로 어떤 실험조건에서든지 전극에서 환원반응이 진행되면, 그 전극을 캐소드라 하고, 산화반응이 진행되면 해당 전극을 애노드라 부른다.
통상 직류전류는 양극에서 음극으로 전류가 흐르게 되는데, 양극의 전위는 음극보다 높고, 음극의 전위는 양극보다 낮다. 결국 양극과 음극은 전극의 구성을 구분하기 위해서 사용되는 명칭이며, 캐소드와 애노드는 전극에서 진행되는 반응인 산화와 환원반응을 구분하기 위해 사용되는 용어라고 할 수 있다.
2. 산화/환원반응
전지는 자발적으로 산화/환원 반응이 진행되어 전기 에너지를 생산하게 된다. 전지의 한 전극에서 화학물질이 산화되거나 전극 자체가 산화되면 전자가 생성되게 된다. 이 전자들은 전극 외부로 연결된 도선을 따라서 쌍을 이루는 또 다른 전극으로 흐르게 된다. 그러므로 또 다른 전극에서는 전자가 유입되면서 전극에서 화학물질이 환원되거나 혹은 전극 자체가 환원된다. 전자는 음극에서 양극으로 흐르게 되므로 산화반응이 진행된 애노드에서 환원반응이 진행된 캐소드로 흐르게 된다. 그러므로 애노드가 음극, 캐소드가 양극의 전극이 된다. 이런 종류의 자체적인 산화와 환원 반응은 1차전지나 2차 전지 내부에서 전지를 사용 할 때 진행되게 된다.
사용 후 폐기하게 되는 1차 전지와는 달리 2차 전지는 충전을 통해 지속적으로 재사용할 수 있다. 충전할 경우에는 외부전원의 음극을 전지가 방전할 때 음극이였던 전극에, 외부전원의 양극을 전지가 방전할 떄 양극이였던 전극에 연결하게 된다. 즉, 방전할 때 음극은 충전할 때 음극으로, 방전할 때 양극은 충전할 때 양극으로 연결되어 전극의 극성 자체에는 변화가 없다. 그러나 충전을 하는 과정에서는 각 전극에서 진행되는 산화와 환원반응은 방전할 때와는 정반대로 진행된다. 즉 음극과 연결된 전극에서 환원반응이 진행되어, 음극이 캐소드가 되고, 양극에서 연결된 전극에서 산화반응이 진행되어, 양극이 애노드가 된다. 전기 에너지를 생산하는 방전과는 달리 충전은 전기 에너지를 소비하는 경우이다. 그러므로 전기 에너지를 사용하여 화학반응을 진행하는 전기분해의 경우에도 용기에 담겨져있는 전극에서도 전지를 충전하는 과정과 동일한 산화와 환원 반응이 진행되는 것이다.
3. 캐소드/애노드와 음극/양극
전지가 방전되는 과정에서 음극은 애노드이고, 충전을 하게 되면 반대로 캐소드가 된다. 또한 방전되는 과정에서 양극은 캐소드이지만, 반대로 충전을 하게 되면 애노드가 된다. 전지를 충전한다는 것은 전자를 방출했던 전극에 전자를 재공급하여 환원반응을 유도하고, 전자가 유입되었던 전극에서 전자를 다시 빼내어 산화반응이 진행되도록 유도하는 것이다. 그러므로 충전으로 인해서 산화/환원반응이 완료되면, 전지 내부의 화학물질ㅇ들은 전지를 사용하기 전과 동일한 상태의 배치를 보이게되고, 방전을 시작하면 전기에너지를 재생산해내게 된다.
전기화학 이외의 분야에서도 캐소드와 애노드라는 전극 명칭을 사용하는 경우가 있다. 전자기기 등에서 외부전원의 음극에 연결되어 전자를 방출하는 전극을 캐소드라 하고, 쌍이 되는 전극을 양극 또는 애노드라 부른다. 위에서 언급한 바와 같이 전지의 충전 또는 방전의 경우와 같이 음극은 산화반응이 진행되어 애노드가 될 때도 있지만, 환원반응이 진행되어 캐소드가 될 경우도 있고, 반대의 경우도 동일하다. 음극을 캐소드라고만 규정해서도 안되고, 그것에 쌍을 이루는 양극을 애노드라고만 규정해서는 안되는 이유가 바로 이러한 사실 때문이다. 예를 들자면 이를 동서남북 방위를 가리키는 상황에 빗대어 보면, 동쪽이나 서쪽을 말할 때 동과 서는 사람들이 바라보는 방향과는 무관하게 항상 일정하다. 그러나 동쪽을 가리킬 때 북쪽을 향해 선 사람은 오른쪽이 동쪽이 되지만, 남쪽을 향해 선 사람의 입장에서는 왼쪽이 동쪽이 된다. 동쪽이라는 절대적 방향은 불변하지만, 관측자의 방향에 따라 달라질 수 있는 것이다.
댓글