이온. 뉴턴 하이라이트 2008. 뉴턴코리아

이온과 원소./뉴턴 하이라이트 2008. 뉴턴코리아

중 이온편  : 이온이란 무엇인가?

 

제1장   이온

 

l  이온의 발견: 볼타전지- 물을 분해 = 수소와 산소

l  페러데이: 전기로 물질이 분해 되는 구조를 설명: 분해된 물질= 전극을 향하여 이동한다=이온 ( 양이온= 음극으로, 음이온= 양극으로)

l  원자는 더 이상 분할할 수 없는 최소 단위이다 ? = x

l  우라늄의 방사선= 알파선, 베타선: 알파선을 물질에 쏘면 일부는 튀어 돌아나옴= 이는 물질의 원자핵 의 존재 때문.= 원자보다 작은 존재의 발견= 원자핵

l  원자핵= 양성자 + 중성자 ( = 질량은 양성자와 거의 동일하나 무전하)

l  원자=  원자핵 + 전자

l  모든 원자 : 양성자 수 = 이온의 수

l  이온 에서는 양성자 수 ≠ 이온의 수

(예)양성자 수 > 이온의 수 = 양전하 (양이온) :  양성자 수 < 이온 수 =음전하(음이온)

(예)나트륨 원자:양성자 11개, 전자 11개.  나트륨이온:양성자 11개, 전자 10=양이온(1가)

(예)염소 원자 : 양성자 17개, 전자 17개.  염소이온  : 양성자 17, 전자 18 = 음이온(1가)

(예)마그네슘 원자: 양성자 12, 전자 12.   마그네슘 이온: 양성자 17, 전자 10=양이온(2가)

(예)산소 원자: 양성자 8, 전자 8. 산소 이온: 양성자 8, 전자 10=음이온(2가)

 

l  이온결합: 양이온 과 음이온은 상호 당긴다

원자는 다른 원자에게 전자를 넘겨 주거나, 넘겨 받음으로써 이온이 되어 존재한다

(예) 소금 (염화 나트륨 = NaCL)

나트륨 원자: 최외각 전자껍질의 전자수 =1 / 염소 원자: 최외각 전자껍질의 전자수=7

나트륨이 전자 1개를 염소원자에 넘기고 상호 안정화된다: 나트륨은 전자를 잃고 양이온화, 염소원자는 전자1개를 받아서 음이온화. = 양,음이 서로 끌어당겨 “이온 결합”=소금

 

l  금속 결합/ 공유 결합

금,철의 금속은 원자 최외각의 전자 (자유전자)가  여러원자사이를 자유롭게 돌아다니며 결합

 

공유결합: 여러 원자가 전자를 동시 공유하여 결합 (예: 다이아몬드)

 

l  물에 녹는다?

소금은 물에 녹으면, 결합되 있어야 할 염화나트륨이 나트륨 이온과 염소이온으로 분리되어 물 분자와 섞힌 때문.

 

l  전기의 흐름: 이온이 음극에서 전자를 받고, 양극에 전자를 넘겨 주는 과정에서 전기가 이동

l  금속에는 자유전자의 존재로 인해 전기가 흐른다

l  이온화 에너지  : 이온이 되기 쉬운 정도

=원자로부터 전자 1개를 뺏는데 필요한 에너지

=이온화 에너지가 적으면 전자를 뺏긴다= 양이온이 되기 쉽다

l  전자 친화도 = 전자 1개를 받아 음이온이 될 때 방출되는 에너지

 

l  이온화 경향:

 

이온이 되기 쉬운 금속에서 이온이 되기 어려운 금속으로 -> 전자 가 흐른다

금속이 양이온이 되기 쉬운 정도(전자를 뺏기기 쉬운정도)를 ‘이온화 경향’

 

[소금물 속에 집어 넣은 두 종류의 금속판 : 아연과 구리]

 

이온화 경향이 큰 아연은 전자를 내놓고 이온이 되어 버리므로 판에는 전자과잉=음극판

이온화 경향이 적은 구리는 판에는 전자가 과소=양극판

 

음의 금속에서 양의 금속으로 전자가 흐른다.=전기 발생

 

l  이온화 서열:  이온화 경향이 큰 순서대로 배열= 이온화 서열

l  여러금속의 이온화 경향

 

리튬-칼륨-칼슘-나트륨-마그네슘-알미늄-아연-철-니켈-주석-납:수소H2:

                                                              구리-수은-은-백금-금

 

수소보다 이온화 경향이 큰 금속 (왼쪽) = 음극이 되기 쉽다.

수소보다 이온화 경향이 작은 금속(우측) = 양극이 되기 쉽다

l  이온화 경향의 차가 크면 그만큼 전압이 높은 전지를 만들 수 있다.

 

 

 

제2장   이온 메커니즘

l  망간전지의 구조

아연이 전극에 전자를 두고, 이온화 = 음전하

양극에서는 이산화망간이 (탄소를 통해) 전자를 받음= 양전하

 

l  도금

 

도금은 전기를 흐르게 하여 이온을 원자로 바꾸는 원리

 

[니켈을 구리표면에 도금하는 원리]

 

니켈판을 전원 양극에, 구리판을 전원 음극에 연결.

양극의 니켈판은 전자를 남기고 이온이 되어 용해된다

음극에 연결된 구리판은 전자를 방출하여 니켈이온과 결합 - > 구리판 표면에 니켈원자의 형태로 도금된다.

 

l  녹의 구조

녹= 산화

산화=전자를 잃는 것.

산화=산소 원자와 결합화는 것

 

[녹반응의 구조]

철에 물이 붙으면, 철 이온이 녹는다

동시에, 물분자와 물에 녹은 산소분자가 전자를 받고, 철이온과 결합=붉은 색 ‘수산화 철’로 됨. 또, 물속의 산소분자와 반응, ‘산화철’Fe2O3 = 녹

 

 

l  몸 속의 이온

[뇌의 신경세포]는 일시적으로 나트륨 이온을 세포속에 유입시켜 신호를 전달한다

[소화]

위에는 위산이 있다. 산= 수소이온 과 염화이온이 물에 녹은 것.

위에서는 주로 단백질을 분해하는 바, 이 때 산이 필요하다.

단백질 (= 아미노산의 띠) 를 잘라서 분해하는 것은 펩신.

위벽에서 분비된 펩신이 수소와 만나 단백질 분해능력 발생

수소이온이 단백질과 결합하면 끈이 느슨해진다.= 분해= 소화

 

l  酸 이란 무엇

염화수소(물에 녹으면 염산) 와 암모니아를 반응하면 암모늄 이온, 염화이온 발생.

염화수소에서 암모니아로 수소이온이 이동=암모늄 이온 화.

이 때 수소이온을 넘겨주는 것 = 산

수소이온을 받는 것= 염기

 

강산 과 약산= 수소이온의 농도 차.

 

l  산과 알카리의 만남

산과 알카리가 만나면 = ‘鹽’

염산(산) + 수산화나트륨(알카리) = 소금 (염화 나트륨) = 중화

 

l  PH7

수소이온 농도 7 이하= 산성, 7 이상 = 알카리 성

식품을 태워 생긴 재를 물에 녹여 산성= 산성식품, 알카리성= 알카리성 식품

산성식품: 육류, 달걀, 쌀, 치즈,

알카리성 식품: 당근, 시금치, 레몬, 매실장아찌

 

l  불꽃반응

국물이 넘치며 나는 노란 불꽃은= 소금속의 나트륨 이 타는 반응

 

금속이 녹아있는 수용액을 불꽃속에 넣으면 그 속의 원소(이온)은 그 원소특유의 빛을 낸다.

 

리튬,나트륨,칼륨 (알카리금속) = 적, 황, 보라 등 가시광선 영역 발광

스트론튬 화합물= 주홍색

나트륨 화합물 = 노랑색

구리 = 초록색

 

 

제3장   이온의 최첨단

 

바닷물이 짠 이유= 주로 나트륨의 맛

바닷물에서 염분을 제거한다 = 이온을 제거 한다는 뜻.

물을 증발시키거나, 약품을 사용하지 않고 염분을 제거하는 방식= 이온교환막의 이용.

 

l  양이온 교환막/ 음이온 교환막

가느다란 구멍이 뚫린 막.

양이온교환막: 막=음전하: 물에 녹아있는 음전화는 반발되어 통과 불가.

음이온교환막: 막=양전하: 물에 녹아있는 양전하는 반발되어 통과 불가

 

양이온교환막과 음이온교환막을 통과시킴으로서 바닷물속의 나트륨이온(양이온)과 염화이온(음이온)을 제거할 수 있다.

 

음료수의 제조와 소금의 정제과정에서 사용하는 공법.

 

바닷물을 보내고, 이온교환막외부에서 전기를 흐르게 하면 이온이 막을 통과하는 방향으로 흐른다 (음극-> 양극 방향으로 양이온, 음이온 교환막 사이를 통과하여 한다)

 

l  역삼투막

물만 통과하고 이온이나 염류등 불순믈은 통과시키지 않는 막을 이용하는 ‘ 여과’방법

역삼투막의 구멍은 바이러스보다 작기 때문에 병원균, 바이러스 제거 가능.

역삼투막의 구멍은 바닷물의 주요이온인 나트륨 이온 보다는 크다.

그럼에도 나트륨을 통과시키지 않는 이유는 구멍속의 막소재분자가 수소결합을 해서 실질적으로 구멍이 작아지는 경우.

 

바닷물을 여과해 음료수로 만들거나,

하수처리, 가정용 정수기, 과즙, 유제품, 화학약품의 농축

 

[삼투, 역삼투] 삼투압 차이이로 인해 일반적으로, 물은 염분이 적은 쪽에서 염분이 많은 쪽으로 흐른다. 역삼투막의 경우, 염분이 많은 쪽에 압력을 가해, 염분이 많은 쪽에서 적은 쪽으로 흐르게 한다.

 

l  이온액체

염화나트륨의 경우, 고체상태이며, 물에 녹이면 결합된 이온이 뿔뿔이 흩어진다.

염화나트륨을 800도로 가열하면 녹아서 액상이 된다.

일반적으로 상온에서는 물등으로 녹이지 않는 한 이온이 뿔뿔이 흩어져 존재하는 경우는 없다.

 

그런 상식을 깨뜨린 액체가 ‘ 이온 액체’ ionic liquid. 원인 은 미규명 상태.

 

l  이온액체의 응용 [ 리튬이온전지]

 

거듭 재충전 사용하는(2차전지)  ‘리튬 이온 전지’에는 유기용매(탄소 성분의 분자로 된 액체) 가 사용되고 있다. 일반적으로 전지에는 수분이 들어가 있지만 , 리튬 이온전지는 전압이 높아 물이 전기분해되어버리므로 물을 사용할 수 없다. 유기용매는 온도가 올라가면 발화 가능성이 있다.

 

이온액체는 발화가능성도 낮고 사람에 대한 위해도 발견되지 않았다.

 

[리튬이온 전지의 원리]

 

음극(탄소) 에서 양극(화합물) 으로 전기가 흐른다.

내부는 유기용매로 가득차있고, 가운데는 반응을 촉진시키는 세퍼레이터가 있다.

전지로 사용될 때: 음극에 있는 리튬이온이 방출-> 양극으로 이동 양극결정속에 침입.

충전의 경우, 전기를 흐르게 하면, 양극결정속 리튬이온이 방출, 음극으로 이동.

이러한 반응이 반복되므로 거듭 충전 사용이 가능.

 

전극사이의 리튬이온이 움직이는 부분, 유기용매를 이온액체로 바꾸면 안전한 전지가 된다.

 

l  우주의 이온

태양풍으로서의 이온:  이온과 전자로 된 ‘플라즈마 plasma’ 방출. 90%는 수소이온.

자기폭풍: 태양표면의 폭발- 수소이온의 대량방출-지구 자기장에 영향. 양성자가 우주정거장, 우주왕복선의 우주비행사에 영향줄 수도.

 

l  이온엔진

이온엔진은 연료(추진제)를 이온화 하고, 강한 전기장을 만듦으로서 그 이온을 가속해 분사, 그 반작용으로 탐사선을 추진시킨다. (추진력은 적으나 연비가 좋다.)

이온 엔진의 추진제, 비활성기체의 하나인 제논(크세논)

 

종래는 연료와 산화제를 연소(화학반응) 시키는 ‘화학추진엔진’