이온결합

1.화학 결합의 원리

물질은 원자로 이루어져 있고,원자는 서로 결합하여 다양한 형태의 분자를 만든다.물질은 분자식의 구조와 형태에 따라 다양한 성질을 갖는다.만약 원자들이 서로 결합하지 않는다면 지금처럼 다양한 물질은 만들어지지 않았을 것이다.원자 사이의 결합을 화학 결합이라고 한다.원자들은 안정한 형태의 물질을 만들기 위해 원자가 전자를 주고받거나 공유하면서 결합을 만든다.이떄 금속 원소와 비금속 원소가 만나면 전자를 주고받아 이온 결합이 형성되고,비금속 원소와 비금속 원소가 만나면 전자를 공유하면서 공유 결합이 형성된다.

(1)염화 나트륨의 전기 분해

전기 분해란 전기 에너지를 이용해서 화합물을 성분 원소로 분해하는 과정이다.전류가 흐르는 동안 전자는 전원 장치의 (-)극에서 나와서 (+)극으로 들어가게 된다.(-)전극에는 전원 장치로부터 흘러나온 전자가 모이게 되고,화합물이 전자를 얻는 반응이 일어난다. 반대로(+) 전극에서는 화합물이 전자를 잃는 반응이 일어나고 전자가 전원 장치의 +극으로 이동하여 전류의 순환이 완성된다.이떄 도선과 전극에서는 전자가 전하를 운반하지만 용액에서는 이온에 의해서 전하의 운반이 이루어진다.음이온은 +전극 방향으로 이동하고,양이온은-전극 방향으로 이동하므로 일정한 방향의 전류가 흐르게된다.

상온에서 고체 상태인 염화 나트륨에 전압을 걸어주면 전류가 흐르지 않는다.고체 상태에서는 이온들이 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 떄문이다.반면,염화 나트륨이 용융되면,나트륨과 염소이온이 자유롭게 운동할 수 있기 때문에 전하의 이동이 가능해져 전압을 걸어주면 전류가 흐를 수 있다.즉,전류가 흐르기 위해서는 전하를 운반할 수 있는 입자가 있어야 한다.융용된 염화 나트륨의 전기 분해가 일어날 때 이온과 전자의 이동 방향은 이렇다.전자는-전극 표면에서 나트륨 이온과 반응하여 금속 나트륨을 형성하고 염화 이온은 +극 표면애서 전자를 내놓고 염소 기체가 되어 기포가 발생한다.생성물인 나트륨과 염소는 염화 나트륨과는 완전히 다른 성질을 갖는다.나트륨은 상온에서 광택이 있는 금속성 고체이다.염소는 상온에서 자극성 냄새가 나는 황록색 기체이다.그리고 물에 젖으면 표백,살균 작용응ㄹ 하는 유독성 기체이다.

용융된 염화 나트륨의 전기 분해로 부터 두 가지 사실을 알 수 있다. 우선 용융액에 전류가 흐른다는 것을 통해 염화 나트륨이 전하를 띠는 입자로 이루어져 있다는 것이다.또한,전자의 이동이 일어난 후 새로운 물질이 만들어지는 것으로 보아 염화 나트륨에서 염소와 나트륨 사이의 결합에는 전자가 관여한다는 것이다.

(2)물의 전기 분해

물을 전기 붆하기 위해서는 오른쪽 그림과 같은 장치를 이용한다.전압을 걸어주면 전원 장치의 -극에서 흘러나온 전자가 -전극으로 이동한다.-전극 표면에서 물 분자는 전자를 얻는 반응이 일어나고,물은 수소 기체가 수산화 이온으로 분해된다.동시에 +전극 표면에서 물 분자는 전자를 잃는 반응이 일어나고,물은 산소기체와 수소 이온으로 분해된다.-극과+극의 반응식을 보면 얻고 잃는 전자의 수가 같다는 점을 주의해야 한다.전기 분해가 진행되는 동안 -극 주변은 수산화 이온 때문에 염기성을 +극 주변은 수소 이온 떄문에 산성을 나타낸다.하지만 양쪽에서 생성되는 수소 이온과 수샇ㄴ화 이온의 수는 같으므로 반응이 종료되면 서로 중화되어 전체 용액은 중성이 된다.물의 전기 분해 반응이 진행되면-극과+극에서 모두 기체가 발생한다.-극에서 생성되는 수소 기체는 불꽃을 갖다 대면 펑소리를 내며 폭발하는 가연성이 있으므로 불꽃을 이용해 확인할 수 있다.+극에서 생성되는 산소 기체는 조연성이 있으므로 꺼져가는 불꽃을 갖다 대면 더 크게 불꽃이 타오르는 것을 볼 수 있다.

순수한 물은 전류가 흐르지 않기 떄문에 전기 분해를 하기 위해서는 전해질을 조금 넣어주어야 한다.전해질은 물에 녹았을 떄 수용액에 전류가 흐르는 물질로,물속에서 양이온과 음이온으로 나누어져 자유롭게 이동할 수 있다.따라서 전압을 걸어주면 전하를 운반하여 전류가 흐르게 해주는 역할을 한다.물의 전기 분해에서는 주로 수산화 나트륨이나 황산을 전해질로 이용한다.물의 전기 분해로부터 두 가지 사실을 알 수 있다.우선 순수한 물은 전류가 흐르지 않으므로,물 분자는 전하를 띠지 않는 전기적으로 중성인 상태라는 것이다.또한,전자의 이동이 일어난 후 새로운 물질이 만들어진다는 것은 물에서 수소 원자와 산소 원자 사이의 결합에도 전자가 관여한다는 의미이다.

(3)옥텟규칙

금속 나트륨은 여러 가지 물질과 격렬하게 반응하는 불안정한 물질이다.하지만 염화 나트륨에 포함되어 있는 나트륨 이온은 화학적으로 안정한다.나트륨 이온은 여러가지 음이온과 화합물을 만들지만,대부분의 화학 반응에서 구경꾼 이온으로 존재한다.이렇게 반응성의 차이가 나는 이유는 나트륨 원자와 나트륨 이온이 갖는 전자의 수가 다르기 떄문이다.나트륨은1s22s22p63s1의 전자 배치를 갖는다.여기서 가장 바깥 전자껍질은 3s오바탈에 배체되어 있는 1개의 전자이다.나트륨은 대부분의 화학 반응에서 이 1개의 전자를 잃으면서 반응에 참여한다. 따라서 나트륨 이온은 1s22s22p6의 전자 배치를 갖고 가장 바깥 전자 껍질에는 2s오비탈과 2p 오비탈에 8개의 전자를 갖는다. 나트륨 이온이 화학적으로 안정하다는 것은 이 8개의 전자가 화학 반응에 참여하지 않는다는 뜻이다.원자는  가장 바깥 전자껍질이 가득 차 있을 떄 화학적으로 안정해진다.그 상태에서는 더이상 전자를 얻지도,엃지도 않으려는 경향성이 크다.금속 원자는 전자를 잃고 가장 가까운 비활성 기체와 같은 전자 배치를 가지려고 하고,비금속 원자는 전자를 얻어서 가장 가까운 비활성 기체와 같은 전자 배치를 가지려고 한다.화학적으로 안정한 비활성 기체의 경우 가장 바깥 전자껍질에 8개의 전자를 가지는데,다른 원자들이 비활성 기체의 전자 배치와 같이 가장 바깥 전자껍질에 8개의 전자를 가져 안정해지려는 경향을 옥텟 규칙이라고 한다.비활성 기체는 한 주기에서 가질 수 있는 가장 큰 유효핵 전하와 가장 작은 반지름을 갖고 있다.그 결과 이온화 에너지가 매우 크기 때문에 전자를 잃는 반응에 잘 참여하지 않는다.또한,새로 얻는 전자는 새로운 전자껍질에 배치되어 매우 작은 유효핵 전하만을 받을수 있기 떄문에 전자 친화도가 매우 작아 전자를 얻는 반응에도 잘 참여하지 않는다.