이온이란 과연 어떤건가?

이온이란 과연 어떤건가?

우리 주변은 정말 많은 화학적 반응이 있다. 이런 화학적 반응은 대부분 "이온"에 의해서 일어나는데, 과연 "이온"
이란 무엇일까? 그리고 이온은 어떤 작용을 가지고 있을까? 여러자기 화학 반응의 주인공인 "이온" 발견과 일화에서 부터 그 정체까지 이원에 대해서 규명해보도록 하겠습니다.

 

전기에 의해서 물은 수소와 산소로 분해된다.

생활 속에서 우리는 이온이란 말을 쉽게 접할 수 있다. 그렇다면 이온이란 무엇을 말하는 것일까? 이온은 1834년 마이클 패러데이에 의해서 명명되었으며, 1800년에 들어서면서 이탈리아 과학자 알레산드로 볼타가 전지를 발표하게 되었다. 그해 그 전지 양 끝에 이은 철사를 몰에 담갔는데 철사에서 기체가 발생한다는 것을 알게 되었다. 그는 그 기체를 조하였고, 물이 전기에 의해서 산소와 수소로 분해되었다고 발표하게 된것이다.

패러데이의 연구소속을 들은 여러 연구자들은 여러가지 액체에 전기를 통하는 실험을 시도하게 되었다. 패러데이의 스승이었던 험프리데이도 그 가운데 한 사람이었던 것이다. 그는 아주 강한 전류를 통하게 되면 여러 물질이 분해될 것이며, 250개의 전지를 연결해 실험 했다고 한다. 그리하여 데이비는 가열해서 녹인 포타슈에 전기를 통해 "칼륨"을 발견했다.

볼타 전지 심험에 의해 새로 발견된 원소가 정말 많다. 특히 데이비느 칼륨뿐 아니라 나트륨, 칼슘등과 같은 6종의 원소를 발견하게 되었다.

 

움직이는 입자를 확인할 수 있는 전지

볼타 전지를 이용한 실험에 의해 물질은 전기로 분해할 수 있다는 것을 알게 되었다. 그러나 전자에 대한 개념도 없었고 저기는 미지의 현상이였던 것이다.

패러데이는 엄밀한 실험을 함으러써 전기의 성질을 차츰 밝혀지는데, 페러데이는 전기로 물질 구조를 독자적인 방법으로 설명하기도 하였다. 패러데이는 물질에 전기가 통하면 분해되고 분해된 물질이 적극으로 향한다고 생각했던 것이다.

전극에 끌려가듯 향하는 물질을 그리스 어로 "간다"는 말을 따서 "이온"이라고 명명하였다. 더 나아가 음극으로 가는 물일을 양이온, 양극으로 가는 물질을 음이온이라고 했다. 그러나 이온의 실체가 어떤것인지 알지 못했다. 그 뒤 이온의 실체가 전기를 띤 원자 또는 원자단임을 밝힌 사람은 스웨덴 과학자 스반테 아레니우스였다.

아레니우스 주장은 당초에 받아들여지지 않았는데, 원자는 분해할 수 없는 최소 단위로 생각되었기 때문에 그것이 어떻게 전기를 지지고 있는지 당시로서는 이해할 수 없었던 것이다. 나중에 원자의 구조가 밝혀지게 되자, 아레니우스의 주장에 옳았음을 알게 되었다. 그리고 아레니우스는 노밸화학상을 받게 되었다.

 

 

내부 구조가 존재한 원자

원자는 더이상 분활 할 수 없는 최소의 단위이다. 이러한 상식을 깨뜨린 사람이 영국 물리학자 어니스트 러더파스였다. 그는 프랑스의 물리학자 베크렐이 우라늄이 방사선을 내고 있음을 밝히자, 많은 물리학자가 방사선 정체를 밝히기 위해서 각종 실험에 착수하게 되었다.

1988년 러더퍼드는 우라윰에서 나오는 방사선에 두종류가 있을을 알아내고, 이것을 알파선과 베타선이라고 명명했다. 알파선은 물질을 투과하기 어렵고, 베타선은 물질을 투과하기 쉬운 성질이 있었다. 러더퍼드는 알파선의 정체가 방사성 물질에서 나오는 입자라고 생각해, 그 입자를 알파입자라고 불렀다고 한다.

 

러더퍼드는 알파선이 물질과 어떻게 작용하는지 조사하는 실험을 했다. 그는 제자들과 함께 얇은 금속막에 알파선을 쬐어 그것이 어떻게 움직이는지 살폈다. 실험에서 알파선의 대부분이 얇은 금속막을 통과했다. 그러나 실험을 계속하는 가운데, 아주 적기는 하지만 앞으로 다시 튀어나오는 것이 있었다. 대부분이 금속막을 통과하고 아주 소수만이 튀어나오는 이유는 무엇일까? 리더퍼드는 그 이유를 원자 속에서 원자 전체의 크기보다 아주 작지만, 알파 입자보다 무거운 "원자핵"이 있으며, 거기에 부딪쳐 알파 입자가 도로 튀어나오는 것이 아닐까 생각했다.

 

즉 기본적인 입자라고 생각되었던 원자에 내부 구조가 존재함이 밝혀진 것이다. 러더퍼드가 실험 결과를 바탕으로 계산하자, 원자핵은 원자 크기의 1만분의 1이라는 작은 것이다.

 

양성자와 중성자로 이루어진 원자핵

러더퍼드 보다 앞서 영국의 물리학자 톰슨에 의해 '전자'의 존재가 밝혀진다. 톰슨은 러더퍼드의 스승이었다. 톰슨의 연구실에서 러더퍼드를 비롯해 우수한 연구자가 많이 배출되었다. 그 가운데 한사람이 '중성자'를 발견한 제임스 채드윅이에요.

물리학자가 방사능의 정체를 찾아 내기 위해 어러가지 실험을 했다. 1932년 프랑스의 물리학자 졸리오 퀴리는 원자번호 4인 베릴륨 원자에 알파 입자를 충돌시키면, 투과성 높은 정체불명의 방사선이 튀어나옴을 발견햇다. 채드윅은 그 방사선의 정체를 찾아 내기 위한 실험을 해거 그것이 '중성자'라고 부르는 입자임을 밝혀 냈다. 채드윅이 발견한 입자임을 밝겨 냈다. 채드윅이 발견한 입자를 질량이 양성자와 거의 같으며 천하가 0인 입자였다. 전하를 지니지 않은, 즉 전기적으로 중성이므로 '중성자'라고 불렀다.

채드윅은 1935년 노벨물리학상을 받았다. 이 발견에 으해 원자핵의 기본적인 입자가 아니라 '양성자'와 '중성자'로 이루어져 있음이 밝혀졌다. 그리고 양성자와 중성자, 나아가 톰슨에 의해 이미 발견된 전자가 가장 기본적인 입자라고 생각하게 되었다.

 

이온의 정체를 알아보자

20세기에 들어와 원자의 구조가 밝혀지게 되었다. 원자는 '양성자' 및 '중성자'로 이루어지는 원자핵과 전자로 구성된다. 이 사실이 규명됨으로서 이온의 정테도 밝혀졌다. 모든 원자는 양성자와 전자의 수가 같다. 그러나 어떤 원자에서는 전자가 11개가 잇어야 하는데, 이온에서는 전자가 10개밖에 없엇다. 어떤 원자에서는 전자가 7개가 있어야 하는데, 이온에서는 전자가 8개나 있엇다. 이온에서는 양성자와 전자의 수가 맞지 않는 것이다.

 

양성자는 양(+)의 전기를 가지고, 전자는 음(-)의 전기를 갖는다. 그래서 양의 전하를 가진 양성자의 수가 음의 전하를 가진 전자의 수보다 많으면, 이온 전체를 양전하를 띠게 된다. 이것이 '양이온'의 정체이다. 반대로, 전자의 수가 양성자의 수보다 많으면, 이온 전체가 음전하를 띤다. 이것이 '음이온'의 정체이다.

예를 들어 산소 원자는 양성자를 8개, 전자를 8개 갖는다. 이에 비해 산소 이온은 양성자를 8개, 전자를 10개를 갖는다. 전자가 2개 많다는 점에서, 산소 이온 전체로는 음전하를 갖게 되는 것이다. 이 경우, 전자가 2개 더 많으므로 '2가의 음이온'이라고 표현한다. 원자핵은 양전하를 지니는 양성자와 중성자로 구성되어 있다. 모든 이온에서 양성자와 전자의 수가 서로 다른 것을 알 수 있다.

 

이온에도 여러가지 법칙이 있다.

전자는 원자핵 주위의 전자 껍질에 들어있다. 전자 껍질에는 말하자면 전자가 들어갈 '자리'가 준비되어 있다. 가장 바깥쪽의 전자 껍질에 있는 자리가 전자로 채워지면 안정상태가 된다는 사실이 알려져 있다. 염소 원자는 가장 바깥쪽 껍질의 빈자리가 1개밖에 없다. 그래서 1개의 전자가 늘어나 음이온이 되면 빈자리가 채워져 안정된다. 그에 비해 나트륨 원자는 바깥쪽의 껍질에 전자가 1개만 채워지고, 나머지 7개는 빈자리다. 그래서 전자가 1개 줄어, 양이온이 되면 안정된다. 가장 바깥쪽 껍질의 빈자리가 이미 메워져 있는 네원 원자 등은 이온이 되기 어렵다.

전자가 몇 개나 증감해 이온이 되는지는, 가장 바깥쪽 껍질의 빈 자리의 수에 따라서 결정된다. 주기율표의 세열은 가장 바깥쪽 껍질에 있는 빈자리의 수가 거의 같기 때문에 이온이 될 때 전자의 증감하는 수가 대개 같다.

 

서로 끌어당기는 양이온과 음이온

우리의 일상생활에서도 원자는 다른 원자의 전자를 남겨주거나 받음으로써 이온이 되어 존재한다. 이를 테면 우리 주변에서 보는 가까운 예의 하나가 소금이다. 소금은 염화 이온과 나트륨 이온으로 되어 있다. 나트륨 원자를 보면 가장 바깥쪽 전자 껍질에 전자가 1개 밖에 없다. 염소 원자는 가장 바깥쪽 전자 껍질에 전자가 7개 밖에 없는데, 이는 자리가 하나 비어 있다는 뜻이다. 그래서 두 원자가 접근하면 더욱 안정되기 때문에, 나트륨이 전자1개를 염소에게 넘긴다.

 

나트륨 원자는 전자(-)를 하나 읽기 때문에 전체적으로는 양이온이 된다. 이에 염소 원자는(-)를 1개 받게 되어 전체적으로 음이온이 된다. 양이온과 으이온은 각각 가진 양과 음의 전하를 서로 끌어당겨, 결국 결합하게 된다. 이 결합을 '이온결합'이라 한다. 나트륨 이온과 염화 이온이 서로 잡아당김으로서 결합되어 결국 소금이 된 것이다. 이처럼 원자가 상대방 원자에 전자를 넘겨주고, 각각 이온이 되어 결함한 물질이 많다.

소금과 마찬가지로 나트륨이 전자를 넘겨준 물질만으로 유리의 재료가 되는 산화나트륨이나 충치예방에 쓰이는 플루오린화나트륨 이 있다.