캐소드와 애노드
전극은 전도성이 있는 물질로, 그 모양과 재질은 쓰임에 따라 각기 다르다. 전지 혹은 기구(device)의 주요 부품에서 전극은 보통 쌍(pair)으로 사용된다. 전극은 전류 혹은 전자를 필요한 장소로 흘려주는 역할을 하며, 혹은 직접 화학반응에 참여하기도 한다. 이번에는 전극을 부르는 이름인 캐소드와 애노드, 양극과 음극
캐소드-애노드, 양극-음극
캐소드와 애노드는 전기화학의 아버지라 불리는 패러데이가 작명을 한 것으로 알려져 있다. 전지 혹은 전기분해 용기(cell)에는 전극이 쌍으로 사용된다. 2개의 전극 각각에서 진행되는 산화 혹은 환원 반응은 상황에 따라 달라진다. 이에 따라 전극에서 진행되는 반응을 구별하고 설명하는 방편으로 전극을 캐소드, 애노드라 불렀다. 일반적으로 어떤 실험 조건에서든 전극에서 환원반응이 진행되면, 그 전극의 이름을 캐소드(cathode)라고 하며, 전극에서 산화반응이 진행되면, 그 전극은 애노드(anode)라 한다.
한편 관례에 따라서 직류 전류(DC current)는 양극(positive electrode)에서 음극(negative electrode)으로 흐른다(전자(electron)는 음극에서 양극으로 흐른다). 양극(陽極)은 플러스를 의미하는 양(陽, +)과 전극(電極)을 의미하는 극(極)이 합쳐진 합성어이며, 양극의 전위는 음극보다 높다. 또한 음극(陰極)은 마이너스를 의미하는 음(陰)과 전극(電極)의 극(極)이 합쳐진 합성어이며, 음극의 전위는 양극보다 낮다.
결국 양극·음극은 전극의 극성(혹은 전위차)을 구분하기 위해서 사용되는 용어이며, 캐소드·애노드는 전극에서 진행되는 반응(즉, 산화환원)을 구분하기 위해서 사용되는 용어이다.
전지에서 진행되는 산화 환원반응
전지는 자발적으로 산화 환원 반응이 진행되어 전기에너지를 생산하는 도구이다. 전지의 한 전극에서 화학물질이 산화되면 혹은 전극 자체가 산화되면 전자(electron)가 생성된다. 그 전자들은 전극 외부로 연결된 도선을 따라서 쌍을 이루고 있는 또 다른 전극으로 흐른다. 그러므로 또 다른 전극에서는 전자가 유입되면서 전극에서 화학물질이 환원되거나 혹은 전극 자체가 환원된다. 전자는 음극에서 양극으로 흐르므로 결국 산화반응이 진행된 애노드에서 환원반응이 진행된 캐소드로 흐른다. 그러므로 애노드가 음극, 캐소드가 양극이 된다. 이런 종류의 자발적인 산화 환원 반응은 1차 전지 혹은 2차 전지 내부에서 전지를 사용할 때(방전할 때) 진행된다.
전지를 충전할 때 : 양극은 애노드, 음극은 캐소드
1차 전지는 다 사용하고 나면 버리고 더 이상 충전을 하지 않는다. 그러나 2차 전지는 충전을 해서 재사용한다. 충전할 경우에는 외부전원(power supply)의 음극을 전지가 방전할 때 음극이었던 전극에, 외부 전원의 양극을 전지가 방전할 때 양극이었던 전극에 연결한다. 즉, 방전할 때 음극은 충전할 때 음극으로, 방전할 때 양극은 충전할 때 양극으로 연결되므로 전극의 극성은 변함이 없다. 그러나 충전할 때 각 전극에서 진행되는 산화 환원 반응은 방전할 때와는 정반대로 진행된다. 즉 음극과 연결된 전극에서 환원반응이 진행되어, 음극이 캐소드가 되고, 양극에 연결된 전극에서 산화반응이 진행되어, 양극이 애노드가 된다. 전기에너지를 생산하는 방전과는 달리 충전은 전기에너지를 소비하는 경우이다. 그러므로 전기에너지를 사용하여 화학반응을 진행하는 전기분해의 경우에도 용기(cell)에 담가있는 전극에서도 전지를 충전할 때와 같은 산화 환원 반응이 진행되는 것이다.
캐소드=음극, 애노드=양극이 아니다.
전지가 방전할 때 음극은 애노드(산화반응이 진행되는 전극)이고, 충전할 때 음극은 캐소드(환원반응이 진행되는 전극)이다. 또한 방전할 때 양극은 캐소드이지만, 충전할 때 양극은 애노드이다. 전지를 충전한다는 것은 전자를 방출했던 전극에 전자를 다시 공급하여 환원반응이, 전자가 유입되었던 전극에서 전자를 다시 빼내어 산화반응이 진행되도록 하는 것이다. 그러므로 충전으로 인해서 산화 환원 반응이 완결되면 전지내부에 있는 화학물질들은 전지를 사용하기 전 상태와 같게 되고, 방전을 시작하면 다시 전기에너지를 얻을 수 있는 것이다.
전기화학 이외의 분야에서도 또한 캐소드와 애노드라는 전극 명칭을 사용한다. 예를 들어서 기구(device) 혹은 기기에서 외부전원의 음극에 연결되어 전자를 방출하는 전극을 캐소드라 한다. 그러므로 그 경우에는 쌍이 되는 전극은 양극 혹은 애노드라 부른다. 그렇지만 앞선 설명처럼 전지의 충/방전의 경우처럼 음극은 산화반응이 진행되어 애노드가 될 때도 있지만, 환원반응이 진행되어 캐소드가 될 때도 있다. 반대도 마찬가지다. 음극을 캐소드라고만 해도 안되며, 그것에 쌍을 이루는 양극을 애노드라고만 불러도 안 되는 이유가 바로 이것이다.
이것을 방위를 가르키는 상황과 비유해 보면 다음과 같다. 방위인 동 혹은 서를 말할 때 동과 서의 위치는 사람들이 바라보는 방향에 무관하고 항상 일정하다. 그러나 동쪽을 말할 때 북쪽을 향한 사람은 오른쪽이 동이 되지만, 남쪽을 향한 사람은 왼쪽이 동쪽이 된다. 동쪽은 변함이 없지만, 사람들이 어떤 쪽을 향해 서 있는지에 따라 동쪽이 오른쪽 혹은 왼쪽이 될 수 있는 것이다. 음극-양극, 캐소드-애노드도 동서와 좌우가 다른 개념인 것과 마찬가지다.