농업의 과학을 이끄는 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 발견하고 그리스어로 '간다'라는 뜻을 가진 'ion'을 따서 명명했다.

'이온화 된다'는 것은 이렇게 원자 또는 분자가 양전하나 음전하를 띠며 이온이 되는 현상을 말하는데, 일반적으로 '이온화 경향'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 이온화 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 음료는 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.

 

대부분의 물질을 구성하고 있는 기본이 되는 화학적 본질을 원소라 한다. 각 원소의 원자량은 원자량이 12인 탄소-12를 기준으로 하여 비례적으로 결정한다. 한 원소의 원자가는 원자가를 1로 하는 수소원자의 결합력을 기준으로 비례적으로 결정한다.  즉, 원자가가 +3인 어느 원소는 화합물에서 3개의 수소원자를 대신할 수 있으며, -3가인 원소는 3개의 수소원자와 반응할 수 있다.  어느 원소의 당량은 그 원소의 원자량을 원자가로 나눈 값으로 정의된다.

 

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

 

화학에서 물질의 농도를 표시할 때 %나 ppm 같은 단위는 적절하지 않은 경우가 있습니다. 특히 화학반응을 다룰 때에 더 그렇습니다. 예를 들면 2 분자의 수소와 1 분자의 산소가 결합해서 물이 만들어질 경우 2.018 g의 수소와 15.999 g의 산소가 결합하여 18.017 g의 물이 생긴다고 쓰는 편보다는 2 당량의 수소와 1 당량(equivalent)의 산소가 결합하여 1 분자량의 물이 생긴다고 생각하는 것이 편하다.

 

그런데 당량이란 단위은 너무 커서 종전에는 밀리당량이란 단위를 썼는데 SI에서는 밀리당량 대신 센치당량을 쓰기로 하고 그것을 cmol+로 표기하기로 정했다.

 

사실은 mol은 mole 즉 분자량에서 온 것이다.(당량은 분자량을 이온가 또는 이온값 즉 valency로 나눈 것. valency: 이온이 갖는 결합손의 수. 예컨대 Ca+=의 경우에는 결합손의 수 즉 이온가는 2, H+=의 경우는 1)

 

종전에는 토양의 치환성 양이온의 농도를 표시할 때 me/100g이라는 단위를 썼는데 SI에서는 100 g 대신에 kg을 쓰고 me 대신에 cmol+를 쓴다. 그런데 공교롭게도 cmol+/kg과 me/100 g의 수치는 같다.

 

즉 종전에 예컨대 종전의 4.5 me/100 g을 SI로 표시하면 4.5 cmol+/kg입니다. 왜냐하면 cmol+는 me의 10 배이고 kg은 100 g의 10 배이기 때문이다.

 

mg/kg (또는 ppm)을 me/100 g으로의 변환

Ca++의 1 me는 20 mg이다. 그러니까 1 mg/kg은 1/20 me/kg이다. 그런데 종전의 치환성 양이온의 표시방법은 me/100 g이기 때문에 1mg/kg은 1/200 me/100 g이다.

 

따라서 칼슘의 경우 1 mg/kg은 1/200 me/100 g이고 1/200 cmol+/kg 이기도하다. 즉 칼슘의 경우에는 mg/kg 값을 200으로 나누면 cmol+/kg이 된다. 200[ mg/kg ] =cmol+/kg 이므로

2cmol+/kg =2*200mg/kg *1ppm/[mg/kg]=400ppm

 

마그네슘의 경우에는 120,

칼륨의 경우에는 391로 나누면 될 것이다.