끼우기만 해도 전기가 생긴다! 햄버거식 볼타 전지와 산화·환원의 드라마

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠.

액체 몇 방울을 떨어뜨렸을 뿐인데, 멈춰 있던 프로펠러가 힘차게 돌아가기 시작합니다. 마치 마법 같은 순간이지만, 이것은 18세기 말 이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타가 발견하여 인류의 역사를 크게 바꾼 전지의 원리 그 자체입니다. 오늘은 SEPUP 연구회에서 진행한 볼타 전지 실험을 통해 금속과 액체가 만들어내는 신비로운 에너지 드라마를 소개해 드립니다.

세계 최초의 배터리를 재현하다! 햄버거형 볼타 전지

이번 실험에서는 특별한 장치가 필요 없습니다. 주인공은 구리판과 아연판, 그리고 액체를 적시기 위한 거름종이입니다. 이 심플한 재료만으로도 놀라울 만큼 간단하게 전기를 만들 수 있죠. 이번에는 나리카(Narika)에서 판매하는 실험 세트를 사용했습니다.이렇게 깔끔하게 컷팅된 금속판을 준비합니다.실험 방법이 아주 독특한데요. 구리판, 거름종이, 아연판을 순서대로 쌓아서 마치 햄버거 같은 모양을 만듭니다. 그 위에 10%로 희석한 염산을 스포이드로 몇 방울 떨어뜨리면….https://youtu.be/Og9WMH9wJss보시는 것처럼 모터에 연결된 프로펠러가 빙글빙글 돌아가기 시작합니다!

볼타 전지의 치명적인 약점, 분극 현상

프로펠러는 돌아갔지만, 사실 이 볼타 전지에는 큰 약점이 있습니다. 회전을 시작하고 얼마 지나지 않아 프로펠러의 힘이 점점 약해진다는 것이죠. 이때 전압을 측정해 보면 0.8V 정도에 불과합니다. 그 이유는 구리판 표면을 자세히 관찰하면 알 수 있습니다. 보글보글 수소 기포가 발생해 구리판을 감싸버리거든요. 이것을 분극 현상이라고 부르는데, 발생한 수소가 전기의 흐름을 방해하기 때문에 배터리 수명이 금방 다하고 마는 것입니다. 현대에 자주 쓰이는 다니엘 전지 등은 이 분극을 막기 위해 고안되었지만, 날것 그대로의 볼타 전지에서는 피할 수 없는 한계입니다.

구리판을 일부러 태운다? 놀라운 파워업 기술

여기서부터 과학 실험의 진짜 재미가 시작됩니다. 멈춰가던 프로펠러를 아주 간단한 손길 한 번으로 극적으로 부활시킬 수 있거든요. 방법은 바로 구리판을 가스토치 등으로 한 번 구워서 표면에 산화 피막을 만드는 것입니다.까맣게 그을린 구리판을 사용해 다시 실험해보면, 놀랍게도 프로펠러가 아까보다 훨씬 힘차게 돌아갑니다! 기전력도 1.1V 정도까지 껑충 뛰어오르죠.왜 표면을 더럽힌 구리판이 더 강력한 파워를 내는 걸까요? 사실 표면의 산화구리가 전자를 받아들이는 역할을 도와주기 때문입니다.

\[\text{（Electrodo positivo）：} \text{Cu}\_2\text{O} + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Cu} + \text{H}\_2\text{O}\]

이 반응 덕분에 수소 발생이 억제되고 전압이 부스트되는 원리입니다. 시간이 흘러 다시 전압이 떨어졌을 때 구리판을 꺼내보면, 표면의 검은 산화구리는 사라지고 다시 반짝반짝한 구리로 돌아와 있습니다. 눈에 보이는 변화로 반응이 끝났음을 알 수 있다는 점도 이 실험의 매력 포인트입니다.

실패와 궁리 속에서 배우는 과학의 역사

볼타 전지는 현대의 배터리에 비하면 결코 성능이 좋다고 할 수는 없습니다. 하지만 서로 다른 종류의 금속을 조합하면 전기를 얻을 수 있다는 위대한 발견을 우리 손으로 직접 체험할 수 있는 훌륭한 교재입니다. 구리판이 단순한 전극이 아니라 수소 발생의 촉매 역할도 하는 등, 파고들면 파고들수록 깊은 과학의 세계가 펼쳐집니다. 조금은 까다롭고 변덕스러운 볼타 전지이지만, 그렇기에 어떻게 하면 더 오래 돌릴 수 있을까? 고민하게 만드는 계기를 전해줍니다. 배터리 역사의 첫걸음을 여러분도 직접 확인해 보세요!https://phys-edu.net/wp/?p=49892

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