이온의 세계

농업 과학속 이온

 

전기적으로 중성인 원자나 분자가 전자를 하나 이상 잃거나 얻 어서 +전하 또는 -전하로 대전되게 하는 것이 이온이다. 영국 의 패러데이 (Faraday)가 용액 속에서 전극을 연결하고 직류 전원을 연결했을 때 '전극을 향해 이동하는 무엇'이 있음을 발견 하고 그리스어로 '간다'라는 뜻을 가진 'ion'을 따서 명명했다.

'이온화된다'는 것은 이렇게 원자 또는 분자가 양전하나 음전하 를 띠며 이온이 되는 현상을 말하는데, 일반적으로 '이온화경향'이라고 할 때는 금속이 양이온이 되어 용액 속에 들어가려 는 경향을 말한다. 이온화 경향이 큰 금속, 예를 들면 칼륨(K) 칼슘(Ca), 나트륨 (Na), 마그네슘(Mg) 등은 산화되기 쉽고 반응성이 높아서 이온 화 경향이 작은 금속의 염의 수용액과 만나면 치환 반응을 일으킨다.

 

탄산 음료는 설탕을 녹인 물에 향료와 착색료를 넣어 시럽을 만 든 후 이산화탄소(CO2)를 가압 용해시킨 물을 채워 마개를 막아 만든다. 반면 이온 음료는 체액에 가까운 전해질 용액, 즉 나트륨 이온(Na+), 칼륨 이온(K+) 칼슘(Ca2+), 마그네슘(Mg2+) 염화 이온(Cl-)을 포함하고 있는 용액을 주성분으로 한다. 이 온 음료 는 체내에 빨리 흡수되어 땀으로 손실된 수분이나 전해질, 부족 한 미네랄을 공급해 준다.

 

전기를 띤 원자 또는 원자단. 전해질을 물에 녹이면 원자나 원자단이 전자(電子)를 얻거나 잃기도 하여 음(陰) 또는 양(陽)의 전기를 띤 입자를 얻을 수 있다. 양의 전기를 띤 것을 양이온, 음의 전기를 띤 것을 음이온이라 한다. 용액에 전류를 흘리면 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 향한다.

 

1. 물의 이온화

순수한 물은 양성물질(兩性物質)이므로 H+를 서로 주고받아 이온화하여 아주 적은 양의 H+와 OH-를 생성한다. H2O↔H++OH-에서, 평형상수 K=[H+][OH-]/[H2O] ∴K[H2O]=[H+][OH-]=Kw이다. 여기에서 [H+], [OH-]는 물 1ℓ중의 g이온수이고, [H2O]는 물 1ℓ중에서 전리하지 않은 H2O의 몰수이다. 순수한 물은 이온화도가 매우 작으므로 [H2O]의 값은 이온화 전과 후의 변화가 없다고 보아도 좋으므로 K[H2O]는 일정한 온도에서 일정하다. 이것을 Kw라 표시하고 물의 이온곱상수라고 한다.

 

2. 수소이온농도

수소이온농도[H+]는 수소이온농도는 용액 1ℓ중에 들어 있는 H+의 g이온수로 표시한다. 수용액의 액성은 수용액 중의 수소이온농도와 수산화이온농도에 따라 달라지는데, 물의 이온곱상수 Kw=[H+][OH-]=1.0*10-14몰/ℓ는 순수한 물은 물론 모든 수용액에서도 성립한다. 즉 어떠한 경우라도 그 수용액 중에는 H+과 OH-이 존재하며 이것들의 농도의 곱은 일정하므로 순수한 물 보다 [H+]가 증가하면 [OH-]가 작아져서 산성용액이 되고, 순수한 물 보다 [OH-]가 증가하면 [H+]가 감소하여 알칼리용액이 된다.

어떤 용액에 같은 규정농도의 산이 녹아 있더라도 그 용액의 수소이온농도는 산의 종류에 따라 이온화도가 다름으로 다르다. 예를 들어 강산의 묽은 용액은 이온화도가 거의 1에 가까우므로 그 용액의 수소이온농도는 그 용액의 규정농도와

 

3. 수소이온지수(pH)

ㅇ 수용액에서 [H+]나 [OH+]는 너무 작은 숫자로 나타나므로 사용하기에 불편하다. 따라서 용액의 액성을 나타내는데 수소이온지수(pH)를 사용하는데 수소이온지수는 수소이온농도의 역수의 상용대수 값으로 정의하여 나타낸다.

☆ pH = log 1/[H+] = -log [H+]

모든 수용액은 25℃에서 Kw = [H+][OH-] = 1.0*10-14몰/ℓ이므로 양변을 -log를 취하면, -log[H+] * -log[OH-] = -log1.0*10-14이다.

☆ pH + pOH = 14이고, pH = 14 - pOH이다.

 

산성과 알칼리성 : 수용액의 액성은 산성, 중성, 알칼리서 중에서 한가지의 성질을 가지며, 액성은 수용액중의 수소이온농도와 수산화이온농도에 따라 달라진다. 산성용액은 용액 중에서 수소이온농도가 수산화이온농도 보다 크고, 염기성용액은 용액 중에서 수소이온농도가 수산화이온농도 보다 작다.

 

4. 원소의 당량

1) 원자 및 이온의 당량 = 원자량/원자가

ex) Ca2+ 당량 = 40/2 = 20

Mg2+당량 = 24/2 = 12

 

2) 분자(화합물)의 당량 = 분자량/양 이온의 가수

ex) CaCO3 당량 = 100/2 = 50

CaSO4 당량 = 136/2 = 68

 

3) 산의당량 = 분자량/H+의 수, 염기의 당량 = 분자량 /OH-의 수

ex) HCl 당량 = 36.5/1 = 36.5

H2SO4 당량 = 98/2 = 49

NaOH 당량 = 40/1 = 40

Ca(OH)2 당량 = 74/2 = 37

 

4) 산화제 및 환원제의 당량 = 분자량/ 주고받은 전자수

ex) KMnO4 당량 = 158/5 = 31.6

K2Cr2O7당량 = 294/6 = 49

 

- 과망간산의 경우

MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O

 

- 중크롬산칼륨의 경우

Cr2O72- + 14H+ + 6e- → 2Cr3+ + 7H2O