페트병으로 해 본 물의 전기분해 실험

페트병을 이용해서 전기분해 실험을 해 보았다. 

전기분해 실험을 하려면 전해액을 잘 골라야 하는데, 그냥 소금물로 하면 염소가스와 수소가스가 나오기 때문에, 물의 전기분해가 아니고 소금의 전기분해가 되어버린다.

물의 전기분해에 적당한 전해질은 황산나트륨이나 수산화나트륨 등이다.

약국에서 수산화나트륨을 구매한 다음 페트병에 스테인레스 전극을 설치하고, 빨대를 달아서 수소와 산소의 혼합 기체를 밖으로 뺄 수 있도록 해 보았다.

이 혼합기체는 매우 폭발하기 쉬운 상태이므로 비눗물을 탄 물에 통과시켜서 불을 붙여도 전기분해가 일어나는 통 까지 불이 번지지 않도록 했다.

http://youtu.be/9UHtqBZLkmw

전원장치는 컴퓨터용 파워서플라이를 개조한 장치를 이용하였는데, 12V 를 가했더니 전류가 4A 정도 흐른다. 전기분해를 할 때에는 패러데이 상수를 알아야 흘린 전류에 따른 발생물의 양을 알 수 있는데, 1 쿨롱의 전하량에 비해서 1몰은 매우 큰 값으로 약 96485.3365 이다.

물 분자를 분해하려면 산소는 전자 4개를 잃어야 한 분자의 산소 기체가 되고, 수소는 전자 4개를 얻으면 분자 2개의 수소 기체가 된다. 

즉, 전자 4개가 흐르면 수소와 산소 기체 분자 3개가 생성되는 것이다. 따라서 1 몰 부피의 수소와 산소 기체를 얻으려면 96485 * 4 / 3 = 128647 쿨롱의 전하가 필요하다. 여기서는 약 4A 가 흐르고 있으므로 128647 / 4(A) / 60(초) / 60(분)  = 8.93 , 약 9시간이 흘러야 산소와 수소 기체 1몰 부피를 얻을 수 있다. (산소와 수소 각 1몰이 아니라 부피의 합이 약 22.4리터가 되는 시간)

전극에서 열이 발생하고, 흐르는 전자가 100% 반응에 쓰여지지는 않을 것이므로 시간은 더 걸릴 수 있다.

발생한 산소와 수소 혼합 기체에 불을 붙여보니 폭음을 내면서 불이 붙는 것을 볼 수 있다. 순수한 수소인 경우 실험을 해 보니 혼합기체보다는 폭음이 작았다.

이번에는 밖에서 혼합기체를 발생시킨다음, 비닐에 모아서 불을 붙여보았다.

http://youtu.be/4N1rETlpsY0

작은 생수병에 물을 담고, 여기에 기체를 통과시킨 이유는, 전기분해통에서 직접 기체를 모으는 경우 미세한 기포가 터지면서 생기는 물방울들이 비닐 속으로 유입되기 때문에 이것을 막기 위해서 혼합기체를 물에 통과시켰다.

약 3분 정도의 시간이 흘러서 기체가 어느 정도 모인 것을, 밀봉한 다음 높은 곳에 매달고 불을 붙여 보았더니 폭음을 내면서 불이 붙는 것을 볼 수 있다.

수소기체의 분자는 매우 작아서 비닐의 미세한 틈으로 빠져나가므로, 비닐봉투에 기체를 모아둔 채로 두면 수소가 빠져나가서 오랜 시간이 지난 후에는 불을 붙여도 폭발이 일어나지 않는다.