이온이란 무엇일까요?

이온이란 무엇일까요?

 

  소금(염화나트륨)이 물에 녹는 것을 예로 생각해보자. 물에 녹는다는 말은 물 분자와 균일하게 섞인가는 것을 뜻한다. 소금은 물에 녹으면, 결합해 있어야 할 염화나트륨이 나트륨 이온과 염화 이온으로 뿔뿔이 흩어진다. 소금물이란 염화나트륨이 녹아 잇는 것이 아니라, 나트륨 이온과 염화 이온이 뿔뿔이 흩어져서 물 분자와 섞인 상태를 가리킨다. 소금물이 짠 이유는 주로 나트륨 이온의 맛을 느끼기 때문이다.

 

  그러면 나트륨 이온과 염화 이온은, 양과 음이 서로 끌어당겨서 결합하고 있는데 왜 뿔뿔이 갈라질까? 그것은 물의 극성이라는 성질 때문이다. 1개의 물분자에 약한 양을 가지는 부분과 약한 음을 가지는 부븐이 잇다. 이러한 전하의 치추침이 있는 상태를 '극성'이라고 부른다. 물 분자의 극성에 의해, 소금은 물과 균일하게 섞일 수 있다.

 

  소금(염화나트륨)을 물에 넣으면, 주위를 물 분자가 둘러싼다. 양전하를 가지는 나트륨 이온에는 물분자의 음 부분이 음전하를 가지는 염화 이온에는 물 분자의 양 부분이 서로 잡아당겨 둘러싼다. 그리고 몇몇의 물 분자가 둘러쌈으로써 소금의 고체에서 이온을 빼 나간다. 이렇게 해서 물 안에 이온이 퍼지고, 소금을 물에 녹게 된다.

 

이온으로 나누어지는 것을 어는 온도로 실감한다.

  소금은 이온으로 나누어져 물에 녹는데, 설탕은 이온으로 나누어지지 않는다. 겨울에는 도로에 동결 방지제를 뿌리는 일이 있다. 도로의 물이 얼어서 자동차가 미끄러지는 것을 막기 위해서이다. 소금은 동결방지제로 사용되기도 한다. 이는 소금물이 잘 얼지 않는다는 점을 이용한 것이다. 예컨대 소금을 물레 충분히 녹이면, 그 물이 어는 온도는 -21℃까지 내려간다.

  이 '어는점 내림'이라고 불리는 연상은 설탕을 물에 녹여도 일어난다. 그러나 소금과 설탕을 각각 같은 분자 수만큼 물에 녹여 온도를 내리면 소금은 -2℃까지 온도를 내려야만 어는데 설탕은 -1℃에서 언다. 왜 그럴까?

  물 속에 녹는 입자의 수가 많을 수록, 물을 쉽게 얼지 않는다. 즉 더욱 낮은 온도에서 얼게 되는데, 소금 쪽이 녹은 입자의 수가 많은 것이다. 설탕은 소금과 달라서 설탕 분자 자체가 물 속에 녹는다. 설탕 1분자를 물에 녹이면, 물에 녹은 입자는 1개이다. 이에 비해 소금 분자를 물에 녹이면, 나트륨 이온과 염화 이온으로 나누어진다. 말하자면 녹은 입자가 2개가 된다. 따라서 녹은 입자 수가 많은 소금은 더욱 온도를 내려야만 얼게 된다. 이 '어는점 내림'의 분자적인 매커니즘은 아직도 완전히 규명되지 않은 수수께끼의 하나이다.

 

원래 전기가 통하지 않는 물에 물에 왜 전기가 통할까?

  물에 젖은 손으로 플러그를 잡고 콘센트에 꽂으면 감전의 위험이 있다. 그러나 사실은 순수한 물(물 분자만으로 이루어진 물)에는 전기가 통하지 않는다. 이온이 녹은 물에 전기가 통하는 것이다. 예컨대 수돗물에는 여러가지 이온이 녹아 있다. 수돗물에는 소금 성분인 나트륨 이온과 염화 이온 나아가 칼륨이온 등 이른마 미네랄 성분이 녹아 있다. 그래서 수돗물에는 전기가 통한다.

  더둑이 손에 묻은 수돗물에는 앞서 말한 이온이다. 땀의 성분 등이 이온으로 녹아 잇다. 그래서 손에 묻은 물은 전기가 매우 통하기 쉬운 상태로 되어 있다. 전기는 전자 등이 이동함으로써 흐른다. 그리고 이온은 전자를 주거나 받음으로써 생긴다. 그래서 이온은 전기를 통하게 하는 역할을 한다. 이온이 음극에서 전자를 받고 양극에 전자를 넘겨줌으로써 전자가 움직여 전기가 흐르는 것이다.

  그런데, 이온이 녹아 있지 않은 물도 높은 전압을 걸면 아주 미약하지만 전류가 흐른다는 사실이 알려져 있다. 이는 순수한 물 속에서는 미약하지만 전류가 흐른다는 사실이 알려져 있다. 이는 순수한 물 속에서는 미량이지만 물 분자가 수소 이온으로 나누어져 있기 때문으로 생각된다.

 

왜 금속은 전기가 통하고, 설탕물은 전지가 통하지 않을까?

  이온이 녹은 물에 전기가 흐르는 원리를 살펴보았다. 그러면 금속과 설텅물의 경우에는 어떨까? 우선 금속은 전기를 흐르게 하는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나 금속에 전기가 흐르는 메커니즘은 소금물에 전기가 흐르는 메커니즘과 다르다. 금속은 자유로이 달아다니는 자유전자를 가지고 잇다. 그래서 그 전자가 움직여 전기를 흐르게 하는 역할을 함으로써 전기가 흐르는 것이다. 한편 설탕물은 소금물이나 금속과 달리 전기라 흐르지 않는다.

 

  순수한 물에 설탕이나 포도당을 녹이더라도 분자가 나누어지는 것이 아니라 분자째로 물에 녹는다. 그래서 설탕물 속에 이온이 생기지 않는다. 따라서 전기를 흐르게 해 주는 존재가 없기 때문에 설탕물에는 전기가 흐르지 않는다.

 

양이온이 되기 쉬운 원자가 있을까?

  이온이 되기 쉬운 정도를 나타내는 지표 중 하나가 '이온화 에너지'이다. 이온화 에너지는 원자로부터 전자1개를 빼았는데 필요한 에너지를 가리킨다.  이온화 에너지의 크기를 입체 주기율표로 나타냈다. 이온화 에너지가 작을 수록 전자를 빼았기기 쉽고 양이온이 되기 쉽다.

 

  소금을 예로 생각해보자. 이온화에너지가 작은 나트륨은 전자를 염소에 넘겨주고 양이온이 된다. 또 생석회에서는 칼슘이온이 양이온이 되어 산화 이온과 결합한다. 이처럼 원서의 조합에서 입체 주기율표를 보면, 어느 원소가 양이온이 되어 결합하기 쉬운가를 대략 알 수 있다.

  대개 금속은 이온화 에너지가 작고, 양이온이 되기 쉬운 것이 많다. 그에 비해, 비금속은 이온화 에너지가 크고 양이온이 되기 어렵다. 일반적으로 양이온이 되기 쉬운 것은 음이온으로는 되기 어려운 것이 많다. 한편 음이온이 되기 쉬운 정도에는 '전차 친화도'라는 지표가 있다.

  이온화 에저지는 기체 상태의 원자가 전자를 빼앗기 위해 필요한 에너지를 뜻한다. 그래서 기체에 에너지를 가해, 어느 정도의 에너지로 이온이 되는지를 측정해야 한다. 그체적으로는 빛의 에너지를 기체 상태의 원자에 가해 측정한다. 기체상태의 원자를 가득 채운 상자에 양극과 음극의 전극을 설치해 전압을 걸어 둔다. 그리고 빛의 에너지를 가해 서서히 크게 해 나가면, 어느 순간 기체가 이온으로 바뀌고 전기가 흐른다. 그때의 빛 에너지가 이온화 에너지이다.

 

  이온디 되기 쉬운 정도는 2개의 지표로 나타낼 수 있다. 하나는 전자 1개를 넘겨주고 양이온이 될 때 필요한 에너지를 나타내는 이온화 에너지이다. 그리고 또 하나는 전자 1개를 받아 음이온이 될 때 방출되는 에너지인 전자친화도 이다. 예컨대 입체 주기율표를 보면 염소는 전자 친화도가 커서 음이온이 되기 쉬움을 알 수 있다. 주기율표의 오른쪽일수록 전자를 받아들이기 쉬워 음이온이 되기 쉽다. 이 2개의 지표로부터, 양이온과 음이온이 결합해 화합물을 만들 때 어느 원소끼리 결합할지 대략 알 수 있다.

 

금속이 이온이 되기 쉬운 정도 전기를 만드는 원리

  소금물 안에 집어넣은 두 종류의 금속을 연결하기만 해도 전기기 흐른다. 이것이 전기의 근본적 메커니즘이다. 여기에는 금속이 이온이 되기 쉬운 정도가 관계되어 있다. 실은 이온이 되기 쉬운 금속으로부터, 이온이 되기 어려운 금속으로 전자가 이동함으로써 전기가 흐른다. 금속은 기본적으로 전자를 빼앗기고 양이온이 된다. 금속이 양이온이 되기 쉬운 정도는 '이온화 경향'이라는 지표로 나타낸다. 특히 이온화 경향의 크기 순으로 금속을 배열한 '이온화 서열'이 전지 등의 금속 반응을 생각하는 데 중요한 단서가 된다.

  예를 들어 아연과 구리를 비교해 보자. 이온이 되기 쉬운 아연 등의 금속을 수용액에 담그면, 전자를 금속에 남기고 양이온이 되기 때문에 금속 전체가 음전하를 띤다. 반대로 구리는 이온이 되기 어렵다. 그래서 수용액에 양이온이 되기 때문에 금속 전체가 음전하를 띤다.

  반대로 구리는 이온이 되기 어렵다. 그래서 수용액이 양이온이 있으면 금속이 이온으로 전자를 넘겨주고, 말하자면 금속 전체가 양전하를 띤다. 이러한 상태가 된 두 금속을 연결만 해도 음의 금속에서 양의 금속으로 전자가 흐른다. 결국 전지를 만들 수 있다. 이온화 서열을 비교만 해도 전지의 메커니즘을 생각할 수 있다. 이온화 경향에 더 차이가 있는 금속을 조합시키면, 높은 전압을 생상하는 전지를 만들 수 있다.