화학 세특 : 리튬

1. 3번 원소, 리튬

  헬륨은 원자핵에 양성자 3개가 있고, 원자핵과 전자 3개가 결합한 원자입니다. 앞서 소개드린 적 있는 수소나 헬륨과 달리, 동위원소가 다양하고 원자량 7의 리튬이 가장 많아 리튬의 원자량은 6.94입니다. 또한 1번, 2번 원소인 수소와 헬륨이 모두 비금속이었기 때문에, 자연스럽게 3번인 리튬이 원자번호가 가장 빠른 금속이 되었습니다. 또한, 첫번째 껍질이 모두 차 있고, 두번째 전자 껍질에 전자가 하나인 원자이기 때문에 다른 물질들과의 반응성이 큽니다. 왜냐하면 전자를 하나 잃으면 안정한 상태가 될 수 있으니까요. 또한, 리튬은 수소를 제외한 1족 원자이기 때문에, 알칼리 금속입니다. 그렇기에 알칼리 금속의 특징을 가지며, 산소나 물과의 반응성이 굉장히 커 매우 위험성이 있습니다. 하지만 리튬의 경우는 알칼리 금속이긴 하지만 다른 알칼리 금속들과 비교하여 원자가 전자가 원자핵과 가까워 원자에 대한 귀속성이 가장 강합니다. 원자핵과 전자가 더 가까이 있어 그만큼 끌어당기는 힘이 더 강하다는 것입니다. 또한, 전자가 많아지게 되면 전자끼리의 반발력도 존재하기 때문에 원자번호가 더 커지면 전자를 잃기 쉬워지는 것이지요. 어쨌든, 알칼리 금속 중에는 가장 안전한 원소라고 할 수 있습니다.

2. 리튬의 활용

  리튬은 다양한 사용처가 있지만, 가장 흔히 볼 수 있는 활용처는 배터리입니다. 산화환원 과정을 전기화학적 원리로 사용한 리튬 이온 배터리입니다. 리튬이온배터리는 에너지를 사용한 후 다시 충전이 가능한 이차 전지의 일종인데요, 각각 산화 환원 반응이 일어나는 산화전극, 환원전극과 리튬 이온이 이동하는 전해질, 이온만을 통과시키는 분리막으로 이루어져 있습니다.

 먼저 전기를 소모하는 방전 과정을 설명해 드려 보겠습니다. 산화 전극에서 리튬의 산화 반응을 통해, 리튬 이온과 전자로 분리되게 되고 이때 전자는 회로를 따라 이동하게 되고, 전자의 흐름은 곧 전류를 생성하게 되므로 전기에너지로 활용할 수 있습니다. 그리고 리튬이온은 전해질과 분리막을 통해 반대쪽 전극으로 이동하게 됩니다. 그리고 가지고 있던 리튬을 모두 소모하면 전지의 용량이 모두 사용된 것과 같습니다. 그렇다면, 전기를 얻는 충전 과정도 같은 원리겠죠? 다만 리튬 이온이 다신 반대 방향으로 이동하면서 전자를 얻는 것입니다.

3. 리튬 활용 세특

  리튬을 사용한 실험은 조금 위험할 수 있기에, 리튬을 활용한 실험에 대해서는 많이 고민해 보았습니다. 하지만 그냥 물과의 반응성을 관찰하는 실험이나, 리튬전지 키트를 단순히 조립하는 실험은 제가 여기서 소개드리기에는 조금 아쉬운 것 같아, 리튬 이온 전지와 리튬의 특징을 함께 더 설명해드리려고 합니다. 왜 리튬을 사용하는지를 화학적이고 물리적인 관점에서 살펴 보겠습니다.

  전지에서 중요한 것은 안전성, 내구성 등이 있지만 그 저장할 수 있는 에너지의 정도도 중요한데요, 그 정도가 좋지 않으면 매우 무거운 전지를 사용하여야 하는 상황에 놓이기 때문입니다. 이번에는 이 질량에 따른 에너지 저장의 효율에 대해 살펴보고 오늘 글을 마치도록 하겠습니다.

  이온전지의 경우, 하나의 원자가 이온과 전자로 나뉘어지면서 그 전자의 흐름으로 전기에너지를 만들게 됩니다. 그러므로 대충 원자 하나 당 전자 하나니까, 원자가 많으면 저장된 에너지량이 더 많다고 생각할 수 있는 것입니다. 그러므로 에너지를 저장할 수 있는 양은 원자의 양이 많거나, 혹은 원자 하나의 무게가 가벼우면 그만큼 더 많은 원자를 넣으면 되니까 원자량이 낮으면 유리하겠죠? 리튬의 경우는, 원자번호 3번이기 때문에 매우 가벼운 원자량을 갖고 있습니다. 이것이 리튬을 전지에 활용하는 이유입니다. 다만, 리튬과 반대 쪽에 있는 극의 물질의 무게도 중요하기 때문에, 리튬 외에도 다른 물질을 사용한 니켈 전지 등이 존재하기도 합니다.

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