금속의 이온화 경향과 산화환원반응

이온화 경향 (Ionization tendency)

일반적으로 금속은 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향을 가지고 있는데, 이 경향성이 원소들 간에 차이가 있고, 이를 통해 수용액 속에서 어떤 물질과 이온 간에 산화환원 반응을 이해하는데 열쇠가 됩니다. 이것을 이온화 경향이라고 하는데, 이론적으로 설명되지 않으나 아래를 암기해 두어야 합니다.

 

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

외우는 방법 : 칼카나마 / 알아철니 / 주납수구 / 수은백금

 

위와 같이 각 원소의 초성을 4음절씩 끊어서 외우면 도움이 됩니다. 그리고, 참고로 수소는 금속이 아니나, 산성 용액 등에서 많이 발생하고 기준이 되는 원소이기 때문에 포함이 되어 있습니다.

 

산화환원반응과 이온화경향

 

1. 질산은 수용액에 구리를 넣었을 때

질산은 수용액(AgNO3)에 구리줄(Cu)을 넣는 경우를 생각해 보겠습니다. 위의 이온화 경향을 보면 구리가 은보다 이온화 경향이 크죠. (Cu > Ag) 이 말은 구리가 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 은보다 크다는 뜻이 됩니다. 그러면 아래 분자 반응식과 이온 반응식은 쉽게 이해가 될 것입니다.

• 분자 반응식 : 2AgNO3(aq) + Cu(s) → Cu(NO3)2(aq) + 2Ag(s)
• 이온 반응식 : 2Ag^(+) + 2NO3^(-) + Cu → Cu^(2+) + 2NO3^(-) + 2Ag

위의 이온 반응식에서 구경꾼 이온인 2NO3^(-)를 제외시키고, 알짜이온 반응식을 써보면 아래와 같이 되겠죠.

 

2Ag^(+) + Cu → Cu^(2+) + 2Ag

 

구리가 전자를 잃고 구리 이온으로 산화되었고, 은 이온은 전자를 얻어서 은으로 환원이 되었습니다. 위에서 언급한 것과 같이 구리가 은보다 이온화 경향이 크기 때문입니다. 따라서, 이 반응이 진행되면서 구리가 구리 이온이 되어서 용액에 용해가 되면서 용액은 점차 푸른색을 띠게 되며, 구리줄 주변에는 은이 석출이 됩니다.

질산은과 구리의 반응, 구리 이온 때문에 용액은 푸른색을 띠게 되고, 은이 석출된다. 이미지 출처: bartleby.com

 

참고로, 특정 원소의 이온 때문에 용액이 푸르게 변한다면 구리 이온을 의심해 보면 되고, 붉은색 금속이 산화되어 검은색으로 변하였다거나, 검은색 금속이 환원되어 붉은색이 되었다면 이 역시 구리를 의심하면 됩니다.

 

2. 염산에 아연판을 넣었을 때 반응

묽은 염산(HCl)에 아연판(Zn)을 넣는다면, 아연은 수소보다 이온화 경향이 크므로 (Zn > H) 아연은 전자를 잃고 아연 이온으로 산화가 되고, 수소 이온은 전자를 얻어서 수소로 환원됩니다. 수소 기체가 발생하겠죠. 이온화 경향이 더 큰 원소가 전자를 잃고 양이온이 되려고 하기 때문입니다. 알짜이온 반응식은 아래와 같이 됩니다.

 

Zn(s) + 2H^(+)(aq) → Zn^(2+)(aq) + H2(g)↑

 

이 반응은 또한 산의 성질 중의 하나인데요, 바로 산이 금속과 반응하여 수소 기체를 발생시키는 반응이기도 합니다. 아래 링크를 참고하시기 바랍니다.

2023.11.16 - [과학] - 산이 금속과 반응하여 수소를 발생시키는 반응식

산이 금속과 반응하여 수소를 발생시키는 반응식

 

3. 황산구리 수용액에 마그네슘 판을 넣었을 때 반응

황산구리(CuSO4, Copper Sulphate) 수용액에서 황산구리는 아래와 같이 이온화가 됩니다.

 

CuSO4 → Cu^(2+) + SO4^(2-)

 

여기에 마그네슘 판을 넣게 되면 금속의 이온화 경향이 마그네슘이 구리보다 크므로 (Mg > Cu) 마그네슘이 전자를 잃고 양이온이 되어 산화가 됩니다. 알짜이온 반응식은 아래와 같이 되겠죠.

 

Mg + Cu^(2+) → Mg^(2+) + Cu

 

마그네슘(Mg)이 전자를 잃고 산화가 되며, 구리 이온(Cu^(2+))이 전자를 얻어서 구리(Cu)로 환원이 되었습니다. 여기서 마그네슘이 산화되는 것과 구리 이온이 환원되는 것 외에 추가로 아래 내용들을 정리해 볼 수 있습니다. 아래 정리되는 내용은 다른 반응들도 같은 맥락으로 보면 마찬가지겠지요.

1. 구리 이온이 구리로 환원되면서 석출이 되기 때문에 수용액의 구리 이온은 감소합니다.
2. 수용액의 푸른색은 점차 옅어지게 됩니다.
3. 수용액의 마그네슘 이온은 수가 증가합니다.
4. 황산이온(SO4^(2-))은 산화환원반응에 참여하지 않는 구경꾼 이온으로, 반응 전후에 이온 수의 변화가 없습니다.

만약에 마그네슘판이 아니라 아연 등 구리보다 이온화 경향이 큰 다른 금속을 넣더라도 아래의 이미지처럼 동일한 결과가 나타나므로 이온화 경향에 대한 이해를 하고 있다면 어려울 것이 없겠습니다.

황산구리 수용액에 구리보다 이온화 경향이 큰 금속을 넣었을 때, 이미지 출처: dept.harpercollege.edu

 

4. 염화구리 수용액에 알루미늄을 넣었을 때 반응

구리 이온으로 인해 푸른색을 띠는 염화구리 수용액에 알루미늄 호일을 넣는 실험을 해볼 수가 있습니다. 염화구리 수용액에서 염화구리는 아래와 같이 구리 이온과 염화 이온으로 존재를 합니다.

 

CuCl2 → Cu^(2+) + 2Cl^(-)

 

이 수용액에 알루미늄을 넣는다고 할 때, 이온화 경향을 따져 보면 알루미늄이 구리보다 이온화 경향이 크므로 (Al > Cu) 아래와 같이 산화환원 반응이 일어나게 되겠죠. 구경꾼 이온을 제외한 알짜이온반응식입니다.

 

2Al + 3Cu^(2+) → 2Al^(3+) + 3Cu

 

반응이 점차 진행되면서 구리 이온이 점차 사라지게 되므로, 수용액의 푸른색이 옅어지고 구리가 석출이 됩니다.

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금속의 이온화 경향을 알게 되면, 수용액에서 이온화 경향이 보다 큰 원소가 전자를 잃고 산화되어 양이온이 되고, 이온화 경향이 보다 작은 원소가 전자를 얻고 환원이 된다는 것을 바탕으로 수용액에서 서로 다른 물질들이 어떻게 반응하는지 쉽게 이해를 할 수 있습니다. 위에 사례들 외에도 질산 은 수용액에 철로 된 못을 넣는다거나, 황산구리 수용액에 아연을 넣는 경우의 반응 등 여러 조합이 있을 수 있고, 이온화 경향성이 낮은 은이나 백금 등을 넣었을 때 반응이 발생하지 않는 등의 경우도 더러 지문에 출제가 됩니다만 이온화 경향만 잘 이해하고 암기한다면 어려울 것이 없을 것입니다.