이온화 경향

3. 금속의 이온화 경향

용액 속에 있는 홑원소 물질과 다른 원소의 이온이 존재할 때, 양쪽 사이에서 산화환원반응이 일어나면서, 홑원소 물질은 산화되어 이온화되고, 다른 한 쪽은 환원되어 홑원소로 석출된다. 이때, 환원된 원소보다 산화된 원소 쪽이 이온화 경향이 더 크다. 어떤 원소가 산화되고 환원되는지는 산화환원전위의 크기에 따라 달라지기 때문에, 이 전위 순서대로 원소를 나열한 것이 이온화 경향의 순서가 된다.

이온화 경향이 작을수록 이온은 환원되어 금속으로 석출되기 쉽다. 이온화 경향이 큰 금속 홑원소 물질이라도 용융염 전해를 통해 얻을 수 있다.

이온화 경향과 다른 지표로 이온화 에너지가 있다. 이온화 에너지는 원자핵에 속박된 전자가 전리되는 데 필요한 에너지 값으로, 원자가 이온화되기 쉬운 정도를 나타내는 지표이다. 그러나 산화환원반응은 이온화 에너지뿐만 아니라, 이온 용액 속에서의 안정성, 전기화학 활량 등 화학평형에 영향을 주는 다른 요인에 의해서도 결정된다.

중고등학교 이과·화학에서는 산화환원반응이나 화학평형을 자세히 다루지 않기 때문에, 이온화 경향을 단순히 "원소가 이온화되기 쉬운 정도를 나타내는 순서"라고 정의하기도 한다. 하지만 정확하게는, 두 원소 중 어느 쪽이 산화되기 쉬운지(혹은 환원되기 쉬운지), 즉 산화환원반응에서 화학평형이 어느 쪽에 치우쳐 있는지에 대한 순서이다.

이온화 경향은 수용액 속에서 수화이온과 홑원소 금속 사이의 표준 전극 전위 순서로 나타낼 수 있다. 이때, 수화금속이온은 무한 희석 상태인 가상적인 1 mol/kg의 이상 용액 상태를 기준으로 하며, 그 표준 산화환원전위와 수화금속이온의 표준 생성 깁스 자유 에너지 변화와는 다음 관계가 있다.

:$\backslash Delta\; \_\{\backslash rm\{f\}\}G^\backslash circ\; =\; zFE^\backslash circ$

여기서 F는 패러데이 상수, z는 이온의 전하이다.

탄탈럼과 안티모니 등은 이온 반지름이 작고 전하가 커서 가수분해되기 쉬우며, 강산성에서도 안정적으로 존재하기 어렵기 때문에 산화물과의 전위로 대체하고 있다. 백금과 금 등의 수화 이온도 매우 가수분해되기 쉬우며, 특히 금의 경우 단순한 수화 이온은 존재하지 않는다고 여겨지기 때문에^[14] 정확한 값은 아니다.

3. 1. 주요 금속의 이온화 경향 순서

탄탈럼과 안티모니 등은 이온 반지름이 작고 전하가 커서 가수분해되기 쉬우며, 강산성에서도 안정적으로 존재하기 어렵기 때문에 산화물과의 전위로 대체되었다. 백금과 금 등의 수화 이온도 가수분해되기 쉬우며, 특히 금의 경우 단순한 수화 이온은 존재하지 않으므로^[14] 위 표의 값은 정확하지 않을 수 있다.

3. 2. 이온화 경향과 관련된 논쟁

위 표는 엔탈피 변화를 나타낸다. 수화열의 측정값은 양이온과 음이온의 합이며, 이온 반지름과 전하량의 관계를 바탕으로 분할되기 때문에, 수치가 완벽하게 정확하지는 않다. 하지만 정성적으로는 다음과 같이 설명할 수 있다. 나트륨이 칼슘보다 이온화 에너지는 작지만, 칼슘 이온(Ca²⁺)은 전하가 커서 수화열의 절댓값이 크다. 이 때문에 이온화 에너지 차이가 상쇄되고, 결과적으로 칼슘의 수화 이온 생성 깁스 자유 에너지가 낮아져 이온화 경향이 나트륨보다 커진다.

알칼리 금속 간 비교에서도 세슘(Cs)은 반응성이 가장 크지만, 이온 반지름은 Cs⁺ > Rb⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺ 순이다. 리튬은 반응성이 가장 작음에도 이온 반지름이 작아 수화열의 절댓값이 크므로 전위가 가장 낮아진다.^[17] 이처럼 이온화 경향은 반응성 순서를 완벽히 반영하지 않으므로, 정성적인 논의에 활용하는 것이 바람직하다.

4. 이온화 경향의 문제점

표준 산화환원 전위를 바탕으로 하는 이온화 경향은 무한 희석 상태를 기준으로 하기 때문에, 실제 농도에서는 이온화 경향 순서가 달라질 수 있다.^[15] 특히, 주석(Sn)과 납(Pb)과 같이 전위 값이 비슷한 경우 순서가 큰 의미를 가지지 않을 수 있다는 의견도 있다.^[15]

대한민국 고등학교 화학 교과서에서는 이온화 경향의 자세한 순서 대신, (Li, K, Ca, Na) > Mg > (Al, Zn, Fe) > (Ni, Sn, Pb) > (H₂, Cu) > (Hg, Ag) > (Pt, Au) 와 같이 묶어서 제시한다.^[16]

이리듐(Ir)과 탄탈럼(Ta)은 수용액 속에서 산(酸)과의 반응성이 매우 작지만, 산화 환원 전위는 예외적인 값을 가진다. 이는 표면에 치밀한 산화피막을 생성하여 부동태가 형성되거나, 반응 속도론적인 요인이 무시되었기 때문이다.

칼슘(Ca)과 나트륨(Na)의 이온화 경향 순서(Ca > Na)는 나트륨이 물과 더 격렬하게 반응하는 현상과 모순되어 오랫동안 논란이 되었다. 이는 금속이 수용액 속의 수화 이온으로 변하는 과정을 '''원자화''', '''이온화''', '''이온의 수화''' 3단계로 나누어 고려해야 설명 가능하다.

위 표는 각 과정에서의 엔탈피 변화를 나타낸다. 나트륨이 칼슘보다 원자 상태에서 기체 상태의 이온이 되기 쉽지만(낮은 이온화 에너지), 칼슘 이온(Ca²⁺)은 전하가 커서 수화열의 절댓값이 크다. 즉, 물 분자와 더 강하게 결합하여 더 많은 에너지를 방출한다. 이로 인해 칼슘 이온의 생성 깁스 자유 에너지가 낮아져, 결과적으로 이온화 경향이 나트륨보다 커지게 된다.

알칼리 금속에서도 비슷한 경향이 나타난다. 세슘(Cs)이 반응성이 가장 크지만, 이온 반지름은 Cs⁺ > Rb⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺ 순서이다. 리튬(Li)은 반응성이 가장 작지만, 이온 반지름이 가장 작아 수화열의 절댓값이 크므로 전위가 가장 낮아진다.^[17]

이처럼 이온화 경향은 반응성 순서를 완벽하게 반영하지 못하는 경우가 있으므로, 정성적인 논의에 사용하는 것이 바람직하다.

5. 이온화 경향의 응용: 전지

서로 다른 두 종류의 금속과 전해액을 조합하면 전지가 만들어진다. 이때, 이온화 경향이 큰 쪽, 즉 산화환원전위가 더 낮은 쪽의 금속이 음극이 되고, 이온화 경향이 작은 쪽, 즉 전위가 더 높은 쪽이 양극이 된다. 또한, 두 금속의 이온화 경향 차이가 클수록 전지의 기전력(얻을 수 있는 전압)은 커진다.

예를 들어, 구리와 아연을 사용하는 레몬전지에서는 아연이 음극이 되고, 구리가 양극이 된다(전해액은 레몬의 과즙이다).

6. 이온화 경향 암기법 (일본)

일본에서는 이온화 경향 순서를 쉽게 암기하기 위한 다양한 방법들이 활용되고 있다. 주로 중학교, 고등학교의 이수 범위이기 때문에, 생략되는 원소에 따라 여러 패턴이 존재한다.^[10][1]

6. 1. 양이온 암기법

6. 2. 음이온 암기법

참조

_[1] 서적 化学便覧 基礎編 丸善
_[2] 논문 The NBS tables of chemical thermodynamics properties
_[3] 웹사이트 各種金属の標準電極電位 http://www.tmk.or.jp[...] 東京都鍍金工業組合 2012-01-04
_[4] 서적 無機化学 上 培風館
_[5] 저널 イオン化列は仮想の世界 : 電気化学(その 1)(教科書の記述を考える 1) 日本化学会
_[6] 서적 新版 化学I 大日本図書
_[7] 서적 高等学校 化学1 第一学習社
_[8] 서적 無機化学 実教出版
_[9] 웹사이트 マナペディア-イオン化傾向の大きい金属とその覚え方 http://manapedia.jp/[...]
_[10] 서적 理解しやすい新化学 文英堂
_[11] 서적 化学便覧 基礎編 丸善
_[12] 논문 The NBS tables of chemical thermodynamics properties
_[13] 웹사이트 各種金属の標準電極電位 http://www.tmk.or.jp[...] 東京都鍍金工業組合 2012-01-04
_[14] 서적 無機化学 上 培風館
_[15] 저널 イオン化列は仮想の世界 : 電気化学(その 1)(教科書の記述を考える 1) 日本化学会
_[16] 서적 新版　化学I 大日本図書
_[17] 서적 無機化学 実教出版