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전해질

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전해질(電解質, 영어: electrolyte)은 이온의 이동을 통해 전기를 전도하지만, 전자의 이동을 통해서는 전도하지 않는 물질이다.[1][2][3] 여기에는 물과 같은 용매에 녹아 있는 대부분의 가용성 염, 산, 염기가 포함된다. 용해되면 물질은 양이온과 음이온으로 분리되며, 이들은 용매 전체에 고르게 분산된다.[4] 고체 전해질 또한 존재한다. 의학이나 때때로 화학 분야에서 전해질이라는 용어는 녹아 있는 물질 자체를 의미하기도 한다.[5][6]

전기적으로 그러한 용액은 중성이다. 용액에 전위가 인가되면, 용액 내 양이온은 전자가 풍부한 전극으로 끌려가고, 음이온은 전자가 부족한 전극으로 끌려간다. 용액 내에서 음이온과 양이온이 반대 방향으로 이동하는 것은 전류를 형성한다. 고온이나 저압 상태와 같은 조건 하에서는 염화 수소(HCl)와 같은 일부 기체도 전해질로 작용할 수 있다. 전해질 용액은 또한 전하를 띤 작용기를 포함하는 고분자 전해질이라 불리는 일부 생물학적(예: DNA, 중합체) 또는 합성 중합체 (예: 폴리스티렌 설포네이트)의 용해로 인해 생성될 수 있다. 용액이나 용융 상태에서 이온으로 해리되는 물질은 전기를 전도하는 능력을 획득한다. 액체 상의 나트륨, 칼륨, 염화 이온, 칼슘, 마그네슘, 인산염은 전해질의 예이다.

의학에서 전해질 보충은 장기간 구토나 설사를 겪을 때, 그리고 격렬한 운동으로 인한 발한에 대한 반응으로 필요하다. 상업용 전해질 용액은 특히 아픈 어린이(예: 경구수액, 경구 보충 용액, 페디아라이트)와 운동선수(스포츠 음료)를 위해 시판되고 있다. 전해질 모니터링은 거식증 및 폭식증 치료에서 중요하다.

대표적인 전해질로는 염화나트륨, 황산, 염산, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 질산나트륨[7] 등이 있다. 과학에서 전해질은 화학 전지의 주요 구성 요소 중 하나이다.[2]

임상 의학에서 전해질에 대한 언급은 대개 환유적으로 이온, 그리고 (특히) 그들의 농도(혈액, 혈청, 소변 또는 기타 체액 내)를 의미한다. 따라서 전해질 수치에 대한 언급은 대개 체액의 양이 아닌 다양한 이온 농도를 의미한다.

역사

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수용액에서의 전해질 해리 개념의 아버지이자 1903년 노벨 화학상을 수상한 스반테 아레니우스

1884년 박사 학위 논문에서 스반테 아레니우스는 고체 결정성 염이 용해될 때 전하를 띤 입자 쌍으로 해리된다는 설명을 내놓았으며, 이 공로로 1903년 노벨 화학상을 수상했다.[8][9][10][11] 아레니우스의 설명은 용액을 형성할 때 염이 전하를 띤 입자로 해리된다는 것이었는데, 마이클 패러데이(1791–1867)는 이미 수년 전에 이 입자들에 "이온"이라는 이름을 붙인 바 있었다. 패러데이는 이온이 전기 분해 과정에서 생성된다고 믿었다. 아레니우스는 전류가 없는 상태에서도 염 용액은 이온을 포함하고 있다고 제안했다. 따라서 그는 용액 내의 화학 반응은 이온 간의 반응이라고 제안했다.[9][10][11]

아레니우스의 이온 가설 직후, 프란츠 호프마이스터와 지그문트 레비트[12][13][14]는 서로 다른 이온 유형이 단백질의 용해도와 같은 것에 서로 다른 영향을 미친다는 것을 발견했다. 이러한 영향의 크기에 따른 일관된 이온 순서가 다른 시스템에서도 일관되게 나타난다. 이는 이후 호프마이스터 계열로 알려지게 되었다.

이러한 영향의 기원은 완전히 명확하지 않으며 지난 세기 동안 논쟁이 있어 왔지만, 이들 이온의 전하 밀도가 중요하며[15] 실제로 200여 년 전 샤를 드 쿨롱의 연구에서 비롯된 설명을 가질 가능성이 제안되었다.

생성

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전해질 용액은 일반적으로 소금과 같은 물질을 물과 같은 용매에 넣었을 때 생성되며, 용매와 용질 분자 사이의 열역학적 상호작용으로 인해 개별 구성 요소가 해리되는데, 이 과정을 "용해"라고 한다. 예를 들어, 식탁용 소금(염화 나트륨, NaCl)을 물에 넣으면 소금(고체)은 해리 반응에 따라 구성 이온으로 용해된다.

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl−(aq)

물질이 물과 반응하여 이온을 생성할 수도 있다. 예를 들어, 이산화 탄소 기체는 물에 녹아 하이드로늄 이온, 탄산염, 수소 탄산염 이온을 포함하는 용액을 만든다.[16]

용융염 또한 전해질이 될 수 있는데, 예를 들어 염화 나트륨이 용융되면 액체 상태에서 전기를 전도한다. 특히, 녹는점이 100°C 미만인 용융염인 이온성 액체는[17] 전도성이 높은 비수계 전해질의 일종으로 연료전지나 배터리에서 점점 더 많이 응용되고 있다.[18] 또한, 고농도 전해질(solvent-in-salt electrolytes)은 염 농도가 3 M을 초과하는 유망한 유형의 전해질이다.[19]

용액 내의 전해질은 이온 농도가 높으면 "농축"되었다고, 낮으면 "희석"되었다고 기술할 수 있다. 용질의 높은 비율이 해리되어 자유 이온을 형성하면 강전해질이고, 대부분의 용질이 해리되지 않으면 약전해질이다. 전해질의 특성은 전기 분해를 사용하여 용액 내에 포함된 구성 원소 및 화합물을 추출하는 데 활용될 수 있다.[20]

알칼리 토금속은 구성 이온 간의 강한 인력으로 인해 물에 대한 용해도가 제한되는 강전해질인 수산화물을 형성한다. 이로 인해 높은 용해도가 요구되는 상황에서는 응용이 제한된다.[21]

2021년 연구원들은 전해질이 "전도성이 낮은 매체에서의 전기화학적 부식 연구를 상당히 촉진할 수 있다"는 것을 발견했다.[22]

생리학적 중요성

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생리학에서 전해질의 주요 이온은 나트륨(Na+), 칼륨(K+), 칼슘(Ca2+), 마그네슘(Mg2+), 염화 이온(Cl−), 인산염(HPO42−), 그리고 수소 탄산염(HCO3−)이다.[23] 플러스(+)와 마이너스(−)의 전하 기호는 해당 물질이 이온성 특성을 가지며 화학적 해리의 결과로 불균형한 전자 분포를 가지고 있음을 나타낸다. 나트륨은 세포외액에서 발견되는 주요 전해질이고, 칼륨은 주요 세포내액 전해질이다.[24] 둘 다 수분 균형과 혈압 조절에 관여한다.[25]

알려진 모든 다세포 생명체는 세포내 및 세포외 환경 사이에 미묘하고 복잡한 전해질 균형을 필요로 한다.[23] 특히 전해질의 정밀한 삼투압 기울기를 유지하는 것이 중요하다. 이러한 기울기는 신체의 수분 공급과 혈액 pH를 조절하며, 신경 및 근육 기능에 필수적이다. 살아있는 종에는 다양한 전해질 농도를 엄격하게 통제하는 여러 메커니즘이 존재한다.[26]

근육 조직과 신경 세포는 모두 신체의 전기적 조직으로 간주된다. 근육과 신경 세포는 세포외액 또는 간질액과 세포내액 사이의 전해질 활동에 의해 활성화된다. 전해질은 "이온 통로"라고 불리는 세포막에 박힌 특수 단백질 구조를 통해 세포막을 드나들 수 있다. 예를 들어, 근수축은 칼슘(Ca2+), 나트륨(Na+), 칼륨(K+)의 존재에 의존한다. 이러한 핵심 전해질 수치가 충분하지 않으면 근육 약화나 심한 근수축이 발생할 수 있다.[27]

전해질 균형은 경구 또는 응급 시 정맥 주사(IV)를 통한 전해질 함유 물질 섭취로 유지되며, 일반적으로 신장이 과도한 양을 배출하는 방식으로 호르몬에 의해 조절된다. 인간의 경우, 전해질 항상성은 항이뇨 호르몬, 알도스테론, 부갑상샘 호르몬과 같은 호르몬에 의해 조절된다. 탈수 및 수분 중독과 같은 심각한 전해질 장애는 심장 및 신경학적 합병증을 유발할 수 있으며, 신속하게 해결되지 않으면 응급 의료 상황을 초래한다.

측정

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전해질 측정은 이온 선택성 전극을 사용한 혈액 검사나 소변 검사를 통해 진단 검사로 흔히 수행된다. 임상적 병력에 대한 분석 없이는 이러한 수치를 해석하는 것이 의미가 없으며, 신장 기능에 대한 병행 측정 없이는 불가능한 경우가 많다. 가장 자주 측정되는 전해질은 나트륨과 칼륨이다. 염화 이온 수치는 나트륨 수치와 본질적으로 연결되어 있기 때문에 동맥혈 가스 분석을 제외하고는 거의 측정되지 않는다. 소변에서 수행되는 중요한 검사 중 하나는 전해질 불균형 발생 여부를 결정하기 위한 비중 검사이다.

도전율 셀은 전해질 용액의 전기 전도 능력을 측정하는 또 다른 도구이다.[28]

수분 보충

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게토레이 스포츠 과학 연구소의 지원을 받은 연구에 따르면, 나트륨 및 칼륨 염을 포함한 전해질 음료는 운동, 알코올 남용, 다한증(심한 발한), 설사, 구토, 약물 중독 또는 굶주림으로 인한 탈수 후 신체의 수분 및 전해질 농도를 보충한다. 해당 연구는 전해질을 섭취하지 않고 극한 조건(예: 마라톤 또는 트라이애슬론 등 3시간 이상 연속 운동)에서 운동하는 선수는 탈수 (또는 저나트륨혈증)의 위험이 있다고 지적한다.[29]

집에서 만드는 전해질 음료는 물, 설탕, 소금을 정확한 비율로 사용하여 만들 수 있다.[30] 나트륨과 포도당의 공동 수송 메커니즘을 활용하기 위해 포도당(설탕)을 포함하는 것이 중요하다. 인간 및 동물용으로 상업적 제제 또한 이용 가능하다.[31]

전해질은 과즙, 스포츠 음료, 우유, 견과류, 그리고 많은 과일과 채소(통째로 또는 주스 형태)(예: 감자, 아보카도)에 흔히 포함되어 있다.

전기화학

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전극을 전해질에 넣고 전압을 인가하면 전해질은 전기를 전도한다. 단독 전자는 일반적으로 전해질을 통과할 수 없다. 대신 캐소드에서 화학 반응이 일어나 전해질에 전자를 공급한다. 애노드에서는 다른 반응이 일어나 전해질로부터 전자를 소비한다. 결과적으로 캐소드 주위의 전해질에는 음전하 구름이 형성되고, 애노드 주위에는 양전하가 형성된다. 전해질 내의 이온은 이러한 전하를 중화하여 전자가 계속 흐르고 반응이 지속되도록 한다.[32]

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일반적인 소금 용액에서 염소(Cl2)와 수산화 나트륨(NaOH)을 생산하는 전해전지

예를 들어, 일반 식탁용 소금(염화 나트륨, NaCl)의 수용액에서 캐소드 반응은 다음과 같다.

2 H2O + 2e− → 2 OH− + H2

이때 수소 기체가 기포로 올라오며, 애노드 반응은 다음과 같다.

2 NaCl → 2 Na+ + Cl2 + 2e−

이때 염소 기체가 용액으로 방출되어 나트륨 및 수산화 이온과 반응하여 가정용 표백제인 하이포아염소산 나트륨을 생성한다. 양전하를 띤 나트륨 이온 Na+은 캐소드 쪽으로 반응하여 그곳의 OH−의 음전하를 중화하고, 음전하를 띤 수산화 이온 OH−은 애노드 쪽으로 반응하여 그곳의 Na+의 양전하를 중화한다. 전해질에서 유래한 이온이 없다면 전극 주변의 전하가 전자 흐름을 늦출 것이다. 물을 통해 다른 전극으로 확산되는 H+ 및 OH−는 훨씬 더 흔한 염 이온의 이동보다 더 오래 걸린다.

전해질이 물에서 해리되는 이유는 물 분자가 쌍극자이고, 이 쌍극자들이 이온을 용해하기 위해 에너지적으로 유리한 방식으로 배향되기 때문이다.[33]

다른 시스템에서는 전극 반응이 전해질의 이온뿐만 아니라 전극 자체의 금속을 포함할 수도 있다.[34]

전해질 도체는 금속-전해질 계면에서의 화학 반응이 유용한 효과를 낳는 전자 기기에 사용된다.

  • 전지에서는 전자 친화도가 다른 두 재료를 전극으로 사용한다. 전자는 전지 외부의 한 전극에서 다른 전극으로 흐르며, 전지 내부에서는 전해질의 이온에 의해 회로가 닫힌다. 여기에서 전극 반응은 화학 에너지를 전기 에너지로 변환한다.[35]
  • 일부 연료전지에서는 고체 전해질 또는 양성자 전도체가 플레이트를 전기적으로 연결하는 동시에 수소와 산소 연료 기체를 분리된 상태로 유지한다.[36]
  • 전기도금 탱크에서 전해질은 도금할 물체 위에 금속을 증착하는 동시에 해당 물체를 회로에 전기적으로 연결한다.
  • 작동 시간 계측기에서는 두 개의 얇은 수은 기둥이 전해질로 채워진 작은 틈으로 분리되어 있다. 기기를 통해 전하가 흐르면 금속이 한쪽에서 용해되고 다른 쪽으로 증착되어, 눈에 보이는 틈이 천천히 이동하게 된다.
  • 전해 축전기에서 화학적 효과는 매우 얇은 유전체 또는 절연 코팅을 생성하는 데 사용되며, 전해질 층은 축전기 판 중 하나처럼 작동한다.
  • 일부 습도계는 거의 마른 전해질의 도전율을 측정하여 공기의 습도를 감지한다.
  • 뜨겁게 달구어 부드러워진 유리는 전해질 도체이며, 일부 유리 제조업체는 유리 속에 큰 전류를 통과시켜 유리를 용융 상태로 유지한다.

고체 전해질

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고체 전해질은 아래에 설명된 네 가지 그룹으로 나눌 수 있다.

젤 전해질

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젤 전해질은 액체 전해질과 매우 유사하다. 본질적으로 이들은 유연한 결정 구조 격자 틀 속에 있는 액체이다. 이러한 시스템의 도전율을 높이기 위해 다양한 식품 첨가물이 자주 적용된다.[35][37]

세라믹 전해질

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고체 세라믹 전해질에서 이온은 결정 격자 내의 공공이나 침입형 화합물을 통해 세라믹 상을 통과하여 이동한다. 유리 세라믹 전해질도 존재한다.[38]

중합체 전해질

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건식 중합체 전해질은 염이 고체 매질에 직접 용해된다는 점에서 액체 및 젤 전해질과 다르다. 보통은 비교적 높은 비유전율을 가진 중합체(폴리에틸렌 옥사이드, 폴리메타크릴산 메틸, 폴리아크릴로니트릴, 폴리포스파젠, 실록세인 등)와 낮은 격자에너지를 가진 염이 사용된다. 이러한 전해질의 기계적 강도와 도전율을 높이기 위해 비활성 세라믹 상을 도입한 복합 재료가 자주 만들어진다. 이러한 전해질은 세라믹-인-중합체와 중합체-인-세라믹의 두 가지 주요 범주가 있다.[39][40][41]

유기 소성 전해질

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유기 이온성 소성 결정은 물질의 상태 중 액체와 고체 사이의 중간 상태인 중간상을 나타내는 일종의 유기염이다. 이 구조에서 가동 이온은 결정 구조 내의 정렬된 위치에 중심이 있지만 방향적 또는 회전적으로 무질서하다.[36] 이들은 녹는점 이하에서 하나 이상의 고체-고체 상전이로 인해 다양한 형태의 무질서도를 가지며, 따라서 소성 특성과 우수한 기계적 유연성, 그리고 개선된 전극-전해질 계면 접촉을 가진다. 특히 양성자성 유기 이온성 소성 결정(POIPCs)[36]은 브뢴스테드 산에서 브뢴스테드 염기로의 양성자 이동에 의해 형성된 고체 양성자성 유기염이며 본질적으로 용융염 상태의 양성자성 이온성 액체로서, 연료전지를 위한 유망한 고체 상태 양성자 전도체로 발견되었다. 예로는 1,2,4-트리아졸륨 퍼플루오로부탄설포네이트[36] 및 이미다졸 메탄설포네이트가 있다.[42]

각주

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  3. ↑ Winie, Tan; Arof, Abdul K.; Thomas, Sabu (2020년 2월 18일). 《Polymer Electrolytes: Characterization Techniques and Energy Applications》 (영어). John Wiley & Sons. ISBN 978-3-527-34200-6.
  4. ↑ M Andreev; JJ de Pablo; A Chremos; J F Douglas (2018). “Influence of ion solvation on the properties of electrolyte solutions”. 《The Journal of Physical Chemistry B》 122 (14): 4029–4034. doi:10.1021/acs.jpcb.8b00518. PMID 29611710.
  5. ↑ Wilkins, Lippincott Williams & (2007). 《Fluids and Electrolytes》 (영어). Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-1-58255-923-0.
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