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전기 분해시 알칼리 금속의 물분자 환원의 방해원리

2024-08-13 org.kosen.entty.User@7e3404e2 익명
  • 1

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안녕하세요, 

산화막 형성 관련 특허를 확인하다가 알칼리 금속의 역할에 대해 언급한 부분이 있어 이해가 되지 않아 질문 드립니다. 

(전해질, 음극, 양극이 존재하고, 음극에서 착이온을 환원시켜 산화막 층을 형성하는 내용입니다. )


'물 분자의 환원으로 다량의 수소기체와 수산화 이온이 발생할 수 있다. 하지만, 알칼리성 금속염을 넣어준다면, 음극 근처 수산화 이온의 발생을 완화시킬 수 있다.' 라는 내용이 있습니다. 


그런데, 제 지식으로는  이해가 되지 않습니다.  알칼리 금속의 이온화 경향이 매우 커서 물분자가 먼저 환원되는 것으로 아는데 무슨상관이 있는 것인지 모르겠습니다. 


혹시 저 내용이 틀린것인지, 맞다면 정확한 어떤 원리로 맞는 것인지 설명 가능하신 분이 있을까요?


  • 산화환원
  • 알칼리금속
  • 전위
  • 전기분해
  • 전기도금
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    박소원님의 답변

    2024-08-13
    • 2
    알칼리 금속의 역할에 대해 질문하신 부분에 대해 더 자세히 설명드리겠습니다.

    전해질 내의 물 분자 환원
    전해질 내에서 물 분자가 환원되면 수소 기체(H₂)와 수산화 이온(OH-)이 생성됩니다. 전극 반응식은 다음과 같습니다:

    이 반응은 음극에서 발생하며, 수산화 이온의 농도가 증가할 수 있습니다. 이는 전해질의 pH를 높이고, 다양한 전기화학적 반응에 영향을 미칠 수 있습니다.

    알칼리 금속염의 역할
    알칼리 금속염을 첨가하면 음극 근처의 수산화 이온 발생을 완화할 수 있는 이유는 다음과 같습니다:

    1. 이온 농도 조절: 알칼리 금속 이온(예: Na+, K+)은 전해질 내에서 높은 이동성을 가집니다. 이 이온들은 수산화 이온(OH-)과 결합하여 물 분자의 환원 반응에서 생성된 수산화 이온을 중화시키는 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, Na+ 이온이 존재하면 다음과 같은 반응이 일어날 수 있습니다:

    이렇게 되면 음극 근처에서 수산화 이온의 농도가 낮아지게 됩니다.

    2. 전해질의 전도도 향상: 알칼리 금속 이온이 전해질에 존재하면 전해질의 전도도가 향상되어 전기화학적 반응이 더 원활하게 진행될 수 있습니다. 이는 전류 밀도의 분포를 더 균일하게 하여 특정 위치에서의 과도한 환원 반응을 억제할 수 있습니다 [1][2].

    3. 전위 변화: 알칼리 금속 이온이 존재하면 음극의 전위가 변화하게 됩니다. 이는 음극에서의 전자 밀도와 전위 차이를 조절하여 물 분자의 환원 반응이 덜 발생하게 할 수 있습니다 [3].

    연구 기사에서의 발견
    연구 기사 [1]에서는 알칼리 금속이 전해질 내에서 다양한 전기화학적 반응을 촉진시키는 역할을 한다고 설명하고 있습니다. 특히, 알칼리 금속 이온이 전해질 내에서 수소 기체와 수산화 이온의 생성을 조절하는 데 중요한 역할을 한다고 언급하고 있습니다. 이는 알칼리 금속 이온이 전해질의 전도도를 향상시키고, 전위 변화를 유도하여 전기화학적 반응을 촉진시키기 때문입니다.

    또한, 연구 [2]에서는 알칼리 금속이 물 분자의 환원을 촉진시키는 강력한 환원제로 작용할 수 있다고 설명하고 있습니다. 이는 알칼리 금속이 전해질 내에서 수산화 이온의 농도를 조절하여 전기화학적 반응을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

    결론
    알칼리 금속염을 첨가하면, 물 분자의 환원으로 인해 발생하는 수산화 이온의 농도를 조절할 수 있으며, 이는 산화막 형성 과정에서 중요한 역할을 합니다. 이로 인해 음극 근처에서 과도한 수산화 이온의 발생이 완화되고, 원하는 산화막 층 형성에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서, 질문에서 언급한 내용은 전기화학적 원리에 부합하며, 틀린 내용이 아닙니다.

    참조문헌
    [1] Xue, L., He, H., Liu, C., Zhang, C., & Zhang, B. (2009). Promotion effects and mechanism of alkali metals and alkaline earth metals on cobalt-cerium composite oxide catalysts for N2O decomposition.. Environmental science & technology, 43 3, 890-5 .
    [2] Du, X., Gao, X., Qu, R., Ji, P., Luo, Z., & Cen, K. (2012). The Influence of Alkali Metals on the Ce­Ti Mixed Oxide Catalyst for the Selective Catalytic Reduction of NOx. ChemCatChem, 4.
    [3] Chen, Z., Yang, H., Kang, Z., Driess, M., & Menezes, P. (2022). The Pivotal Role of s­, p­, and f­Block Metals in Water Electrolysis: Status Quo and Perspectives. Advanced Materials, 34.


    본 답변은 틀루토(tlooto.com)에서 어느정도 참조하였습니다~!
    답변수정
    알칼리 금속의 역할에 대해 질문하신 부분에 대해 더 자세히 설명드리겠습니다.

    전해질 내의 물 분자 환원
    전해질 내에서 물 분자가 환원되면 수소 기체(H₂)와 수산화 이온(OH-)이 생성됩니다. 전극 반응식은 다음과 같습니다:

    이 반응은 음극에서 발생하며, 수산화 이온의 농도가 증가할 수 있습니다. 이는 전해질의 pH를 높이고, 다양한 전기화학적 반응에 영향을 미칠 수 있습니다.

    알칼리 금속염의 역할
    알칼리 금속염을 첨가하면 음극 근처의 수산화 이온 발생을 완화할 수 있는 이유는 다음과 같습니다:

    1. 이온 농도 조절: 알칼리 금속 이온(예: Na+, K+)은 전해질 내에서 높은 이동성을 가집니다. 이 이온들은 수산화 이온(OH-)과 결합하여 물 분자의 환원 반응에서 생성된 수산화 이온을 중화시키는 역할을 할 수 있습니다. 예를 들어, Na+ 이온이 존재하면 다음과 같은 반응이 일어날 수 있습니다:

    이렇게 되면 음극 근처에서 수산화 이온의 농도가 낮아지게 됩니다.

    2. 전해질의 전도도 향상: 알칼리 금속 이온이 전해질에 존재하면 전해질의 전도도가 향상되어 전기화학적 반응이 더 원활하게 진행될 수 있습니다. 이는 전류 밀도의 분포를 더 균일하게 하여 특정 위치에서의 과도한 환원 반응을 억제할 수 있습니다 [1][2].

    3. 전위 변화: 알칼리 금속 이온이 존재하면 음극의 전위가 변화하게 됩니다. 이는 음극에서의 전자 밀도와 전위 차이를 조절하여 물 분자의 환원 반응이 덜 발생하게 할 수 있습니다 [3].

    연구 기사에서의 발견
    연구 기사 [1]에서는 알칼리 금속이 전해질 내에서 다양한 전기화학적 반응을 촉진시키는 역할을 한다고 설명하고 있습니다. 특히, 알칼리 금속 이온이 전해질 내에서 수소 기체와 수산화 이온의 생성을 조절하는 데 중요한 역할을 한다고 언급하고 있습니다. 이는 알칼리 금속 이온이 전해질의 전도도를 향상시키고, 전위 변화를 유도하여 전기화학적 반응을 촉진시키기 때문입니다.

    또한, 연구 [2]에서는 알칼리 금속이 물 분자의 환원을 촉진시키는 강력한 환원제로 작용할 수 있다고 설명하고 있습니다. 이는 알칼리 금속이 전해질 내에서 수산화 이온의 농도를 조절하여 전기화학적 반응을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

    결론
    알칼리 금속염을 첨가하면, 물 분자의 환원으로 인해 발생하는 수산화 이온의 농도를 조절할 수 있으며, 이는 산화막 형성 과정에서 중요한 역할을 합니다. 이로 인해 음극 근처에서 과도한 수산화 이온의 발생이 완화되고, 원하는 산화막 층 형성에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서, 질문에서 언급한 내용은 전기화학적 원리에 부합하며, 틀린 내용이 아닙니다.

    참조문헌
    [1] Xue, L., He, H., Liu, C., Zhang, C., & Zhang, B. (2009). Promotion effects and mechanism of alkali metals and alkaline earth metals on cobalt-cerium composite oxide catalysts for N2O decomposition.. Environmental science & technology, 43 3, 890-5 .
    [2] Du, X., Gao, X., Qu, R., Ji, P., Luo, Z., & Cen, K. (2012). The Influence of Alkali Metals on the Ce­Ti Mixed Oxide Catalyst for the Selective Catalytic Reduction of NOx. ChemCatChem, 4.
    [3] Chen, Z., Yang, H., Kang, Z., Driess, M., & Menezes, P. (2022). The Pivotal Role of s­, p­, and f­Block Metals in Water Electrolysis: Status Quo and Perspectives. Advanced Materials, 34.


    본 답변은 틀루토(tlooto.com)에서 어느정도 참조하였습니다~!
    한승훈(hshun8977) 2024-08-13

    수산화나트륨은 거의 100% 해리되지 않나요? 수산화나트륨이 형성되어도 큰 의미가 없는것이 아닌가요?

    박소원(tlooto) 2024-08-13

    댓글에 대한 tlooto 추가 답변 첨부해드립니다 :)

    수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹으면 거의 완전히 해리되어 나트륨 이온(Na^+)과 수산화 이온(OH^-)으로 분리됩니다. 따라서 NaOH를 직접 첨가하는 경우, 실제로 추가적인 수산화 이온이 생성되므로 음극 근처의 수산화 이온 농도를 낮추는 데 큰 의미가 없어 보일 수 있습니다.

    그러나 알칼리 금속염의 역할은 NaOH 자체와는 다릅니다. 예를 들어, NaCl 같은 알칼리 금속염을 첨가하면 Na^+ 이온과 Cl^- 이온이 해리됩니다. 이 경우 Cl^- 이온은 수산화 이온과 반응하지 않으므로 수산화 이온의 농도를 직접적으로 증가시키지 않습니다. 대신 Na^+ 이온이 전해질 용액 내에서 수산화 이온과 결합하여 NaOH를 생성할 수 있습니다. 이 과정에서 수산화 이온은 일시적으로 Na^+ 이온과 결합하게 되므로, 자유롭게 존재하는 수산화 이온의 농도가 조절될 수 있습니다.

    또한, NaNO2와 NaOH 용액 내에서 이온쌍 형성이 일어나며, 이는 수산화 이온의 농도를 조절하는 데 기여할 수 있습니다[1]. 알칼리 금속 이온이 존재하면 수산화 이온의 과도한 농도를 완화시킬 수 있는 메커니즘이 작동하게 됩니다. 이는 음극 근처에서의 pH 변화와 전기화학적 환경을 조절하는 데 도움이 됩니다. 결과적으로 산화막 형성 과정에서 알칼리 금속염을 첨가하는 것이 의미가 있을 수 있습니다.

    또한 NaOH 용액에서의 다양한 용질의 용해도와 이온쌍 형성에 대한 연구는, 알칼리 금속 이온이 전해질 용액 내에서 다양한 화학적 상호작용을 유도하며, 이는 수산화 이온의 농도를 조절하는 데 중요한 역할을 할 수 있음을 보여줍니다[2][3].

    따라서, 비록 NaOH가 거의 100% 해리되더라도, 알칼리 금속염의 첨가는 전해질 용액 내에서 수산화 이온의 농도를 조절하고, 산화막 형성 과정에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 기회를 제공합니다.

    참조문헌
    [1] Haiyang, Y., Cuiming, W., & Wu, Y. (2015). Optimized Process for Separating NaOH from Sodium Aluminate Solution: Coupling of Electrodialysis and Electro-Electrodialysis. Industrial & Engineering Chemistry Research, 54, 1876-1886.
    [2] Graham, T., Dembowski, M., Wang, H., Mergelsberg, S., Nienhuis, E., Reynolds, J. G., Delegard, C., Wei, Y., Snyder, M. M. V., Leavy, I. I., Baum, S. R., Fountain, M., Clark, S., Rosso, K., & Pearce, C. (2020). Hydroxide promotes ion pairing in the NaNO2-NaOH-H2O system.. Physical chemistry chemical physics : PCCP.
    [3] Pei, K., Zhao, R., Zhang, G., Xia, Q., & Zhang, F. (2018). Measurement and Correlation for the Solubility of Sodium p-Toluenesulfonate, Sodium Sulfite, and Sodium p-Methylphenoxide in Aqueous Sodium Hydroxide Solutions and Sodium Sulfite in Aqueous Ethanol Solutions. Journal of Chemical & Engineering Data, 63, 1556-1567.

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