03. 이온

1. 이온

원자의 정의를 되짚어보면, 물질을 이루는 기본 '입자' 단위라고 했고, 원자의 구조는 크게 원자핵과 전자로 나눌 수 있다고 했으며, 일반적인 상태에서 원자핵의 양전하와 전자의 음전하의 양은 서로 같아 원자는 전기적으로 중성이라고 했다. 그렇다면 원초적인 질문으로 돌아가보자. 이 세상은 과연 원자만으로 이루어질 수 있을까? 이 말의 의미는, 세상의 모든 물질들이 전기적으로 중성일 것인가에 관한 질문이다. 뻔한 답이지만 그렇지 않다. 분명히 전하를 띠고 있는 물질은 존재한다. 우리는 그러한 물질들을 '이온' 이라고 한다.

전하를 띠는 물질을 우리는 '이온'이라고 한다. 그렇다면 양전하와 음전하의 비중이 맞지 않았다는 의미이므로, 어떠한 경우에는 양전하를 띨 수도 있고, 어떠한 경우에는 음전하를 띨 수도 있다. 양전하를 띠는 이온을 우리는 '양이온(cation)'이라고 하며, 음전하를 띠는 이온을 우리는 '음이온(anion)'이라고 한다. 주의해야 할 점은 전하가 발생하는 원인이다. 전하는 오직 '전자의 이동'에 의해서 결정된다. 원자핵은 원자의 곁에서 거의 움직이지 않으며, 오직 전자가 나가거나 들어올 때 전하가 발생하게 되는 것이다.

	양이온	음이온
정의	전자를 잃어 (+)전하를 띠는 입자	전자를 얻어 (-)전하를 띠는 입자
전하량 비교	원자핵의 전하량 > 전자의 전하량	원자핵의 전하량 < 전자의 전하량

어떤 물질이 전자를 잃게 된다면, (-)전하를 잃어버리게 되는 것이다. 그러므로 해당 원자는 (+)전하를 띠게 된다. 우리는 이를 양이온이라 한다. 반면 어떤 물질이 전자를 얻게 된다면, (-)전하를 얻게 되는 것이다. 그러므로 해당 원자는 (-) 전하를 띠게 된다. 우리는 이를 음이온이라 부른다.

그렇다면, 이온을 표기하는 방법은 무엇일까. 이온의 표기법에 대해서도 알아보도록 하자.

	양이온	음이온
표기법	원소기호의 우측 상단에 잃은 전자의 개수 + 표시 (단, 1은 생략한다)	원소기호의 우측 상단에 얻은 전자의 개수 - 표시 (단, 1은 생략한다)
기호	Li+	O2-
이름	원소의 이름 뒤에 '-이온'을 붙인다. ex. 리튬 이온	원소의 이름 뒤에 '-화 이온'을 붙인다. 이때, -소는생략한다. ex. 산화 이온
이온식	Li → Li+ + e-	O + 2e- → O2-

조금만 익숙해진다면 그리 어렵지 않을 것이다. 비단 과학 뿐만 아니라 모든 공부의 시작은, 해당 학문의 일련의 약속들과 친해지는 것이다. 언어에는 '사회성'이 존재하기 때문에, 사회 구성원들의 약속(이를 '문법'이라고 할 수 있겠다)을 지켜야 한다. 그래야만 의사소통이 된다. 과학 역시 발전의 역사가 수천년에 이르고 근현대 과학만 해도 이미 200여년을 넘어가기 때문에, 더 복잡하고 체계화된 과학을 공부하기 위해서는 그러한 약속을 만들어야 할 필요성이 대두되었다.

우리가 원소 기호를 배우는 이유, 우리가 이온의 표기에 대해 배우는 이유는 그 때문이다. 훗날 더 어려운 내용 더 중요한 내용을 다루게 될 때는 이러한 일련의 약속을 다시 설명해 줄 여유가 없기 때문이다. 더 심도깊은 내용은 오직 이러한 약속을 지키는 사람들끼리만 다룰 수 있기 때문이다.

한편 표의 네번째 행(내용상)은 이온식을 표현하였다. 이온식이란, 해당 이온이 생성되어지는 과정을 식으로 묘사한 것인데, 이에 대해서도 이야기를 좀 나눌 필요가 있다. 수학에서는 '(부)등식'을 사용한다. A = B 라는 식이 있다면 A와 B는 동일하다. 그것이 약속이다. 혹은 부등식으로서 표현한다면, A > B 라는 식이 있을 때, A는 B보다 크다. 그것이 약속이다. 마찬가지로 과학에서 사용하는 식, 즉 '화학식'은 수학에서의 등식 역할을 '화살표'가 대신한다. 그리고 A → B의 의미는 'A가 B가 되다' 이다. 리튬이 리튬 이온과 전자가 되었다. 그리고 산소와 전자 두개가 만나 산화 이온이 되었다.

앞으로 자주 보게 될 화학식에서 가장 중요한 점 중 하나는 화학식은 반드시 '합'으로 나타내야 한다는 것이다. 화학식은 두 항의 '차'로 나타내지 않는다. 쉽게 말해 -는 식 내에 존재해서는 안된다(음이온 표기 -를 말하는것이 아니다). 이 때문에 전자를 잃어버리는 리튬 원자에 대해 좌변에 전자를 빼주는 방식이 아닌, 우변에 리튬이온과 전자를 더해 주는 형식으로 나타낸 것이고, 한편 산소 원자와 전자 두개가 만나 산화 이온이 되는 형식으로 나타낸 것이다. 이 사실을 꽤 중요하니 잘 기억해 두길 바란다.

이름	이온식
암모늄 이온	NH4+
수산화 이온	OH-
질산 이온	NO3-
탄산 이온	CO32-
황산 이온	SO42-

모든 이온이 단일 원소로 이루어져 있다면 좋겠지만, 현실적으로 그렇지 않다. 특정한 이온들은 서로 다른 두 개 이상의 원소로 이루어져 있는 경우가 있으며 이를 '다원자 이온'이라고 한다. 수많은 다원자이온이 있겠으나, 여러분이 앞으로 과학을 공부해 나가며 자주 보게 될 몇 가지 다원자 이온을 나타내었다. 잘 숙지해 두길 바란다.

 

2. 이온의 검출

어떤 이온이 용액 속에(혹은 우리가 궁금해 하는 혼합물 속에) 들어있는지 알기 위해서는 어떻게 해야 할까? 물론 여러가지 방법이 있겠으나, 몇 가지 이온은 아주 단순한 방식으로 그 존재 유무를 파악할 수 있다. 특정한 조건의 양이온과 음이온이 서로 만나면 반응이 일어나는데, 이때 물에 녹지 않는 고체 물질의 침전이 일어난다. 이것을 '앙금' 이라고 하며 우리는 이 반응을 '앙금 생성 반응' 이라고 한다.

비록 앙금 생성 반응이 모든 이온에 대해서 일어나는 것은 아니지만, 특정한 상황에 대하여 매우 효율적인 방법일 수 있다. 가시적으로 보이고, 또한 앙금은 고체 형태로 침전되므로 분리하기도 쉽기 때문이다. 아래의 표는 몇 가지 유명한 앙금 생성 반응에 대해 정리해 놓은 것이다. 모든 앙금 생성 반응을 정리할 수는 없겠지만, 우리가 자주 보게 될 앙금 생성 반응에 대해서만 소개하였다.

수용액	앙금 생성 반응	구경꾼 이온
질산 은 수용액(AgNO3) + 염화 나트륨 수용액(NaCl)	Ag+ + Cl- → AgCl↓(흰색) 은 이온 + 염화 이온 → 염화 은↓	NO3- , Na+
질산 납 수용액(Pb(NO3)2) + 아이오딘화 칼륨 수용액 (KI)	Pb2+ + 2I- → PbI2↓ (노란색) 납 이온 + 아이오딘화 이온 → 아이오딘화 납↓	NO3-, K+
염화 칼슘 수용액 (CaCl2) + 탄산 나트륨 수용액 (Na2CO3)	Ca2+ + CO32- → CaCO3↓(흰색) 칼슘 이온 + 탄산 이온 → 탄산 칼슘↓	Cl-, Na+
질산 바륨 수용액 (Ba(NO3)2) + 황산 칼륨 수용액 (K2SO4)	Ba2+ + SO42- → BaSO4↓ (흰색) 바륨 이온 + 황산 이온 → 황산 바륨↓	NO3-, K+
염화 구리(II) 수용액 (CuCl2) + 황화 나트륨 수용액 (Na2S)	Cu2+ + S2- → CuS↓ (검은색) 구리 이온 + 황화 이온 → 황화 구리(II)↓	Cl-. Na+

위의 앙금 생성 반응식은 '알짜 이온 반응식' 이라고 부른다. 이 말의 의미는 모든 이온들 중 실제 반응에 참여하는 이온들만을 모아 놓은 반응식이라는 의미이다. 한편 우측에 있는 이온들은 앙금을 만들지 않고 수용액 속에서 놀고 있는 것을 볼 수 있는데, 이들을 '구경꾼 이온'이라고 한다.

앙금 생성 반응을 활용하는 예시는 꽤 많이 존재하겠지만, 역시 가장 좋은 예시는 폐수 속에 함유된 납 이온을 검출하는 반응일것이다.

폐수에 의한 수질오염은 심각한 환경 문제를 야기한다.

공장에서 나온 폐수가 강으로 흘러들면 큰 환경 문제를 야기할 수 있는데, 어떤 강 속에 폐수에 의해 누적된 납 이온을 검출하고 싶다면, 우리는 앙금생성 반응을 고려해 볼 수 있다. 납 이온은 아이오딘화 이온과 반응하여 노란색 앙금을 침전시키므로, 해당 강물 샘플에 아이오딘화 칼륨을 넣어주면 노란색 앙금이 형성될 것이다. 이를 통해 강물 속에 포함된 납의 농도를 구할 수도 있을 것이다.

 

Edited 21.04.30