이온 결합 물질과 금속 결합 물질

【 목 차 】

1. 이온이란 ?

2. 이온결합물질의 특성

3. 이온결합물질 명명법

4. 다원자 이온

5. 전이 이온 금속의 명명법

6. 이온 결합 물질의 용해도 규칙

7. 금속 결합

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1. 이온이란 ?

 가. 이온의 정의

 

▣ 양이온은 대부분 금속 Na+, 음이온은 대부분 비금속 Cl-

  ※ 대부분 금속이 양이온이 되고 비금속이 음이온이 되는 이유는 원자가 갖고 있는 최외각

      전자 때문이다.

      최외각 전자 중에서 실제 화학반응에 관여하는 것을 원자가 전자라고 하고

      최외각 전자는 18족 즉, 비활성 기체만 아니면 최외각 전자와 원자가 전자는 같다.

      나트륨(Na)은 최외각 전자가 1개 있고 염소는 제일 바깥 껍질의 전자가 7개 있으므로

      팔전자 규칙, 즉 화학자들이 아는 것 중에 가장 중요한 것은 왜 인지는 모르지만 모든 원

      자는 제일 바깥 껍질의 전자 8개를 맞추기 위해 노력하여 안정해지려고 한다는 것이다.

      금속들은 전자를 버릴려고 하는 것이 많아서 양이온이 되고

      비금속은 최외각 전자가 6~7개가 있으므로 주로 전자를 당겨 와서 음이온이 된다.

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나. 이온이 만들어지는 이유

 

  ▣ 소듐의 경우에는 껍질이 3개인데 최외각 전자 1개를 잃어 껍질이 3개에서 2개로 줄어

      원자의 크기가 줄어 들고 즉, 양이온은 원자의 크기가 줄어든다.

  ▣ 음이온의 경우에는 껍질의 개수가 변하지는 않으나 염소를 예를 들면 염소는 껍질이

      3개 있는데 최외각 껍질에 전자가 7개 있는데 전자 1개를 당겨 와서 팔전자 규칙으로

      안정을 취하려 한다. 즉, 제일 바깥 전자껍질에 전자가 7개 있다가 8개가 되었으므로

      당초 전자 보다 전자수가 많아져 전자간의 반발력으로 껍질이 부풀어 올라 원자의

      크기가 확대된다.

 

[참  고]

 ▣ 이온화 에너지 vs 격자 에너지

   ⊙ 이온화 에너지 : 소듐(Na)이 전자를 하나 잃어서 Na+가 그냥 되는 것이 아니라 반드시

                                에너지가 들어 가야 이온화가 될 수 있다.

          즉, 원자에서 전자를 빼앗아서 원자를 양이온이 되게 하기 위해서는 에너지가 필요

          한데 이를 이온화 에너지 (Ionization Energy) 라고 한다.

          이온화 에너지는 외부에서 원자에 에너지를 주어야 하므로 흡수에너지이다.

          따라서 이온화에너지는 양의 값으로 표기된다. (흡열반응을 한다)

   ⊙ 격자에너지 (Lattice Energy) : 고체인 소금은 이온결합 (Nacl)이 되어 있다. 소금이

         결합되어 있는 것은 플러스(+)와 마이너스(-) 사이의 전기적인 인력 때문에 강하게

         결합되어 있는데 이 고체 상태의 이온 결합물질을 찢어서 기체 상태의 이온으로 만들

         때 소요되는 에너지를 말한다.

         이온결합 +와 -의 전기적인 인력을 이기고 고체상태의 플러스와 마이너스를 찢어서

         기체 상태의 이온으로 만들 때 에너지가 크게 소요되는데 이 에너지를 격자에너지

         (Lattice Energy)라고 한다.

         ELatt, 격자에너지도 흡열반응이므로 양의 값을 갖는다.

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다. 주족 원소의 이온들

 

  ※ 수소의 경우에는 탄소(C), 규소(Si)와 같은 족에 있는데 수소는 전자껍질이 하나만 있고

     여기에 전자가 하나 있는데 전자 하나는 반만 채워진 개념이어서 수소는 전자 하나를 잃으면

     플러스(+)가 되고 전자 하나를 더 채우면 마이너스(-)가 될 수 있어 수소는 H+ / H- 의

     중간자적 입장에서 수소 (H) 보다 오른 쪽에 있는 원소들은 전자를 당기는

     힘이 강하므로 오른 쪽에 있는 완전한 비금속을 플러스(+) 이온이 되고

     왼쪽에 있는 원소들은 전자를 버릴려는 성향이 있으므로 이들 원소를 만나면 마이너스 (-) 이온이 된다.

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2. 이온 결합 물질의 특성

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가. 물리적 성질

 

    ※ 이온 결합 물질은 분자로 떼어 낼 수 없으므로 화학식으로 표기한다.

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나. 전기 전도성

 

  ▣ 고체 상태에서는 플러스 (+)와 마이너스(-)가 강하게 결합되어 전기가 통하지 않는다.

  ▣ 이온결합 물질을 액체 상태로 만들기 위해서는 전기를 통해 주면서 가열하여 녹여 주는

      과정이 필요하다. 이렇게 만든 액체 상태를 용융상태의 이온결합 물질이라고 한다.

      액체 상태에서는 플러스(+)와 마이너스(-) 이온들이 움직일 수 있으므로 전기가 통하

      고 물에 녹는 이온 결합 물질은 전기가 잘 통한다.

      따라서 사람도 몸에 소금, 나트륨 등 이온들이 있으므로 사람 몸도 전해질이 될 수 있다.

  ▣ 이온 결합물질은 플러스(+)와 마이너스(-)가 강하게 결합되어 있어 이를 분리시키는

      녹는 점, 끓는 점도 높을 수 밖에 없다. (분리를 저항하는 힘이 크기 때문이다)

  ▣ 분리된 분자가 존재하지 않기 때문에 이온 결합 물질을 구성하는 플러스 물질과 마이너

       스 물질의 구성비율로 나타낸다.

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다. 전기 전도성 (이온결합물질 vs 공유결합물질)

 

  ▣ 순수한 물은 전기가 안통한다.

      물속에는 물이 쪼개져서 생기는 H+이온이 아주 조금 있고 OH- 이온도 조금 있다.

       그런데 그 양이 10-7 정도 아주 조금 있다.

      물분자 5억 5천5백만개 중의 하나가 쪼개지는 정도 밖에 안되므로 전도성이 없다고 할 수 있다.

  ▣ 설탕물도 전기가 안 흐른다.

      설탕이 물에 녹는 것은 물과 섞인다는 용해이다.

      물과 섞인다는 용해이므로 전기를 전도할 만큼의 분해상태가 아니므로

      설탕물은 물에 녹기만 하는 것이라서 전기가 통하지 않는다.

  ▣ 소금물의 경우에는 NaCl 이 Na+ 와 Cl- 이온으로 쪼개지기 때문에 이온화되어 전기가 잘 흐른다.

   ※ C12 H22 O11 ⇒ C12 (H2O)11

      이것은 탄소 + 물이므로 탄소가 수화된(물) 화합물이란 뜻으로 탄수화물이라고 부른다.

       ⇒ 분자식 Cm (H2O)n

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라. 물 (극성분자)에 대한 용해성

 

  ▣ 이온 결합 물질은 물에 잘 녹는 편이다.

  ▣ NaCl 처럼 이온 결합 물질이 물에 잘 녹는 이유는 물을 보면 물분자 속의 산소원자를 보면

      산소는 최외각 껍질에 전자가 6개 있는데 수소 분자의 전자 하나씩을 받아 H2O가  된다.

      즉 산소와 수소가 공동으로 이온을 소유하면서 결합하게 된다.

  ▣ 물 분자의 경우 수소원자핵이 전자를 끌어 당기는 힘과 산소 원자핵이 끌어 당기는 힘이

       다르게 된다. 산소는 6개의 양성자가 6개의 전자를 끌어 당기고 수소는 1개의 양성자가

       1개의 전자를 끌어 당기므로 산소가 끌어 당기는 힘이 세게 된다.

  ▣ 물 분자 전체 입장에서 보면 전자가 산소 원자 쪽으로 치우쳐 O-, H+ 의 극성을 띠게 된다.

       이런 이유로 물분자를 극성 분자라 한다.

  ▣ 물에 소금을 넣게 되면 소금의 마이너스 Cl- 은 물의 플러스 H+ 를 둘러 싸고 소금의

      플러스 Na+는 물의 마이너스 O- 를 둘러 싸게 된다.

      이렇게 되면서 물질이 안정하게 된다.

  ▣ 이렇게 용매를 둘러 싸서 안정하게 만드는 것을 수화, 물이 둘러 쌌다 라고 한다. 또는

       용매화라고 한다. 이러한 이유로 이온화 물질은 물에 잘 녹는다.

  ▣ 하지만 모든 이온 결합 물질이 물에 잘 녹는 것은 아니다.

  ▣ 소금은 물에 잘 녹지만 조개껍질, 탄산칼슘(석회석, 대리석)은 물에 잘 녹지 않는다.

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3. 이온 결합 물질 명명법

 가. 이온 결합 물질의 표기

 

나. 이온 결합 물질의 표기

 

   ▣ 명칭 뒤에 원소에 결합했다는 의미의 화를 붙이고 영어로는 ide를 붙인다.

   ▣ SO4 는 단원자 이온인데 다원자 이온의 결합에는 화를 붙이지 않는다.

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다. 일반적인 단원자 이온의 이름

 

   ※ 소듐 = 나트륨, 플루오린화 = 불화, 아이오딘화 = 요오드화, 포타슘 = 칼슘

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라. 일반적인 이종 원소 이온 결합물질의 명명법

 

   예제) 다음 이름을 가진 이온 결합물질의 화학식을 쓰시오.

 

4. 다원자 이온

가. 다원자 이온 : 전하를 띤 공유 결합 원자들의 결합

 

나. 중요한 다원자 이온의 이름

 

 

다. 다원자 이온이 들어 있는 이온 결합 물질의 명명법

 

  예제) 다음 화합물의 이름을 쓰시오.

     1) NaNO2 : 아질산 나트륨

     2) CaSO4 : 황산칼슘 ( = 석고)

     3) KNO3 : 질산칼륨

     4) MgSO3 : 아황산 마그네슘

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다. 다양한 산소산 음이온 (옥소 음이온)이 있는 계열의 명명법

 

  ▣ 한 계열에 황산 - 아황산, 질산 - 아질산 이렇게 간단하게 끝나는 것이 아니고 4개씩

      들어가 있는 것에 대하여 알아 보자.

  ▣ ClO3- 가 염소산이면, 하나가 부족하면 아염소산, 2개 부족하면 하이포아 염소산 또는

      차아염소산이라고 칭하고 하나가 많아지면 고염소산 이라고 한다.

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5. 전이 금속 이온의 명명법

가. 다양한 전하를 갖는 이온 : 전이 금속 이온

 

  ▣ 전이 금속을 예를 들면, 크로뮴의 경우에는 이온이 (+1)에서 (+6)까지 다양하다.

       따라서 이름을 붙일 때 구리도 (+1)이 있고 (+2)가 있어서 화학자 들이 약속하기를

       구리가 (+1)이면 구리 옆에 로마자 Ⅰ을 쓰기로 했다. (+2)이면 로마자 Ⅱ를 쓴다.

  ▣ 산업계에서는 오랫동안 철의 경우 (+2)와 (+3) 이 있는데 전하량이 낮은 원소를 제일,

      전하량이 큰 원소를 제이 라고 부르고 있다. 이 때, 제일, 제이는 전하량이 낮다, 높다를 의미한다.

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예제) FeS 화합물의 이름을 쓰시오.

    ※ Fe 철 +2, S 황화 -2 : 황화철(Ⅱ), 황화 제일철

1단계	▣ 양 이온의 이름을 적는다. ▣ Fe가 한 종류 이상의 양 이온을 갖는 전이 금속임을 확인한다.
2단계	▣ 비금속 원소의 전하를 확인한다. (S 2-) ▣ Fe의 전하값을 알아 낸 후 로마 숫자를 부여한다. ▣ 위의 경우, Fe은 철(Ⅱ)로 표기한다.
3단계	▣ 음이온의 이름을 적는다. 황화음이온
이 름	황화 철(Ⅱ)

예제) 산화구리(Ⅰ)의 화학식을 쓰시오.

1단계	▣ 양 이온의 원소기호 (Cu)를 적는다. ▣ 이 때 Cu가 한가지 이상의 양이온을 갖는 전이 금속임을 확인한다.
2단계	▣ 비금속 원소의 전하를 확인하여 (O2-), 필요한 Cu 원자의 개수를 확인한다.
​	× Cu (+1) + O (2-) = 0 2개의 Cu 원자가 전하 균형을 맞추기 위해 필요하다.
이 름	Cu2O

6. 이온결합물질의 용해도 규칙

가. 엔트로피를 이용하여 설명하기

  ▣ 용해도 규칙을 엔트로피로 설명하기 앞서 Na+Cl와 Ca2+CO32-로 앞서 용해도를 설명한 적이 있었다.

 

  ▣ 이온화 되었다는 것은 무질서도가 커졌다는 것을 의미한다. 또한 원소별로 입자가

      쪼개졌다는 것을 의미한다. 입자수가 많아지면 무질서도가 커진다.

      이를 엔트로피가 커진다고 말한다.

      자연계에서 반응은 엔트로피가 커지는 방향으로 이루어진다. 물에 설탕을 넣으면

      물과 설탕이 섞이게 된다. 즉, 엔트로피가 커지게 된다. NaCl의 경우에는 Na+,Cl-로

      쪼개지면 하나의 입자가 2개의 입자로 나뉘어지므로 입자수가 늘어 난다.

      결국 입자수가 커져서 무질서도 엔트로피가 커지게 된다.

  ▣ 물분자는 치환을 못하는데 이온화 되면 자유로이 이동하면서 치환하게 된다.

  ▣ 탄산칼슘의 경우에는 당기는 힘이 커서 물의 이동성이 줄어든다. CaCO3는 입자 1개에

       서 쪼개지면 Ca2+와 CO32-로 쪼개지는데 분자로 있을 때는 물분자 20개를 못 움직이

       게 하는데 이온화 하면 물분자 40개를 못 움직이게 한다.

  ▣ 용질의 입장에서는 이온화하면 입자가 많아졌지만 이온화하면 CaCO3의 경우 입자수

       가 2배로 늘어난 반면 물분자를 이동 못하게 하는 것은 4배로 늘어나므로 이온화하기

       전보다 오히려 무질서도 즉 엔트로피가 줄어 들게 된다.

 

 

나. 침전의 생성

 

다. 정리하기

 

 

   ▣ 이온화 (+), (-)가 되면 대부분 물에 잘 녹는다.

     ⊙ 그런데 AgCl, AgBr, Agl 은 은이 들어가 있어서 예외적으로 잘 녹지 않는다.

         즉, 은과 할로젠은 잘 녹지 않는다.

   ▣ (+2), (+3)과 (-2), (-3) 이온화 물질은 대부분 녹지 않고 침전된다.

   ▣ (+1)과 (-2), (-3)이 만나는 이온 물질 즉 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비튬, 세슘은

       물에 잘 녹지 않는다.

       1족 양이온과 암모늄 이라면 마이너스가 어느 물질이 되었던 상관없이 물에 잘 녹는다.

   ▣ (+2), (+3) 과 (-1)이 만났을 경우에는 이 때 (-1)는 3개 질산이온, 아세트산 이온,

        과염소산 이온 등 이 3개 물질은 (+)가 어떤 물질이든간에 물에 잘 녹는다.

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  예제) 다음 화학물질이 용해 또는 침전될 지 예측하시오.

   1) AgNO3 : 물에 잘 녹는다. Ag는 물에 안 녹지만 NO3은 어떤 물질을 만나든 물에 잘 녹는다.

   2) CaSO4 : 침전된다.

   3) K2CO3 : 물에 녹는다.

   4) PbCl2 : 침전된다. (2+), (2-)

   5) (NH4)3 PO4 : 용해된다. NH4는 무조건 녹는다.

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7. 금속결합 (전자 바다 모형)

가. 금속 양이온과 자유전자들간의 정전기적 인력에 의한 결합

 

▣ 금속결합은 예를 들어 구리(Cu) 덩어리를 예를 들면, 구리, 구리 전선을 만들 때 가정해

     보면, 구리 덩어리는 Cu2+가 되고 구리가 전자들을 잃어 버리게 된다. 이를 자유전자라

     고 해서 원자 궤도에서 이탈하여 원자가 전자를 잃어 버리기 쉬운데

     이 자유전자들이 돌아 다니면서 구리(Cu2+) 양이온 사이를 자유롭게 돌아 다닌다.

     그래서 금속결합을 전자 바다 모형이라고 한다.

      전자 바다에 양이온, 금속 양이온 들이 떠 있는 상태의 모양이라서 붙여진 이름이다.

      평소에는 이렇게 있다가 (전류가 흐르기 전) 이렇게 자유롭게 움직이면서 양이온을

      결합시키다가 전류가 흐르면 전류의 플러스(+) 쪽으로 전자들이 움직여서 열과 전기

      의 전도성이 좋은 것이 금속결합의 특징이다.

  ▣ 금속결합은 크게 이야기 하면 금속 양이온과 자유전자들 간의 전자바다 모형으로

       설명할 수 있다.