이온 (ion)

이온은 원자 또는 분자의 특정한 상태를 나타내는 용어로, 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 원자 또는 분자를 이른다.

원자에서 양전하를 띠는 양성자의 수는 화학 변화에 의해서 변하지 않지만, 음전하를 띠는 전자들은 감소하거나 증가할 수 있다. 원자가 이온이 되는 것을 전리 또는 이온화라 한다. 중성의 원자에서 한개 이상의 전자를 잃으면, 원자는 양전하를 띠고, 한개 이상의 전자를 얻으면 음전하를 띠게 된다. 양전하를 띤 이온을 양이온, 음전하를 띤 이온을 음이온이라 부른다.

전해질은 이온을 통해 설명할 수 있는 물질인데, 이온의 정의없이는 설명할 수 없는 물질이기도하다. 전해질이 물에 녹으면 양이온과 음이온으로 나뉜다. 이 현상을 '이온화'라고 하고, 양이온과 음이온을 용해시키거나 용융시키지 않은 채로 섞어 놓으면, 이온들은 정전기적 인력으로 인해 고체로 뭉치게 되는데, 이를 이온 결합 화합물 이라고 부른다.

이온은 원자,분자의 범위에서 정의되므로 '원자의 경우'와 '분자의 경우'로 나누어 분류하기도한다.단 하나만의 원자를 가지고 있는 이온은 단원자 이온, 수산화 이온이나 시안 이온처럼 둘 이상의 원자가 합쳐져 만든 이온을 다원자 이온이라 한다.

전자를 n만큼 잃으면 원자나 분자기호 뒤에 n+라고 표기하고 얻으면 n- 라고 표기하며, n 값이 1이면 숫자를 표시하지 않아도 된다.

생명과 화학

질량 보존의 법칙은 닫힌 계의 질량은 상태 변화에 상관없이 변하지 않고 계속 같은 값을 유지한다는 법칙이다. 물질은 갑자기 생기거나, 없어지지 않고 그 형태만 변하여 존재한다는 뜻을 담고 있다. 다시 말해, 닫힌계에서의 화학 반응에서, (반응물의 질량) = (결과물의 질량) 이란 수식을 만족한다. 질량 보존의 법칙은 비상대론적인 법칙이며,상대성이론을 고려할 경우 상황은 조금 복잡해진다. 상대론을 고려할 경우에도 에너지 보존의 법칙은 성립한다.

이 법칙은 근대 화학의 아버지 앙투안 라부아지에가 최초로 정식화하였다. 그러나 이전에도 미하일 로모노소프 등이 언급한 바가 있다.

하지만 아인슈타인의 특수상대성이론에 의하면 질량이 에너지로도 변환될 수 있다.

"한 화합물을 구성하는 성분 원소들의 질량비는 항상 일정하다"는 것이 일정 성분비의 법칙이다. 일정 성분비의 법칙은 1799년 프랑스의 화학자 프루스트에 의해 제안되었다. 당시 그의 친구이자 화학자인 베르톨렛은 이러한 프루스트의 주장을 반대하여 화합물의 조성은 일정하지 않다고 주장하였다. 그는 같은 화합물이라도 만드는 방법이나 시료의 분량을 달리해주면 그 조성이 여러 가지로 달라지며 특별한 경우에만 프루스트의 제안이 성립된다고 하였다. 그런데 베르톨렛은 구리의 황화물이나 철의 산화물을 분석하여 그 성분비가 일정하지 않다고 주장했는데 그는 구리의 황화물이나 철의 산화물에는 2종류 이상이 있음을 몰랐던 것이므로  프루스트의 제안이 옳다는 것이 증명되었다. 현재 알려진 바에 의하면 대부분의 화합물은 일정 성분비의 법칙이 잘 성립되나 일부는 질량비가 일정하지 않은 경우가 있다. 대개 결정형 무기 화합물에서 이러한 화합물이 생기는 경우가 있는데 이러한 화합물은 베르톨렛을 기념하여 '베르톨라이드 화합물'이라고 한다.

물질이 순수하다면 한 가지 물질은 천연산이나 인공으로 만든 것이나 일정한 조성비를 가진다. 예를 들어 산소와 수소로 이루어진 물 분자의 질량비는 수소 11.19%, 산소 88.81%의 비율로 일정하다. 이것은 물이 얼음, 수증기로 다른 상태에 있더라도, 그리고 강물, 지하수, 해수 등 어디에 있더라도 일정하다. 

또한 사탕수수에서 추출하는 설탕(화학식 C12H22O11) 역시 사탕수수의 종류나 산지가 달라도 설탕을 구성하는 원소의 질량비가 탄소 42.10%, 수소 6.48%, 산소 51.42%로 항상 같다. 

화학반응에서 요오드화칼륨과 질산납 용액의 앙금 생성에서 요오드화칼륨 용액과 질산납 용액이 반응하면 화학 변화가 일어나서 요오드화납의 노란색 앙금이 생긴다. 

 질산납 + 요오드화칼륨 → 요오드화납 + 질산칼륨   

  Pb(NO3)2  + 2KI     →      PbI2 + 2KNO3  

이 때 일정량의 요오드화칼륨 용액에 질산납 용액을 계속 가하면 생성된 앙금의 양은 처음에는 계속 증가하다가 어느 점에 이르면 더 이상 증가하지 않는다. 이것은 요오드화칼륨 용액이 모두 반응하여 질산납 용액을 계속 가하여도, 더 이상 반응이 일어나지 않기 때문이다. 따라서 반응한 요오드화칼륨과 질산납 및 생성된 요오드화납과 질산칼륨의 질량 사이에는 일정한 비가 성립하며 요오드화납을 이루는 성분 물질 사이에 일정한 질량비가 성립함을 알 수 있다.

돌턴의 원자설

1808년 영국의 돌턴이 처음 제안하였다. 만물을 쪼개면 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 알맹이인 '원자'가 남는다는 이론으로, 오늘날의 원자론의 바탕이 된다. 원자론은 그리스시대부터 물질의 불연속적 구조를 주창한 데모크리토스 등에 의해 제창되어, 물질을 분해해가면 더 이상 분해가 불가능한 궁극적인 미립자에 도달한다고 하여 그 입자를 원자라고 명명하였으나, 이 설은 형이상학적인 하나의 사상에 지나지 않았다. 이에 돌턴은 일정성분비의 법칙, 배수비례의 법칙, 상호비례의 법칙 등을 통해 순물질의 질량이나 화합의 능력에 불연속성이 있음을 인정하고, 실험적 근거에 입각한 원자론을 제안하였다.

돌턴의 원자론에 의하면, 물질을 세분화해 가면 더 이상 분해할 수 없는 '원자'라고 하는 미립자에 도달하며, 동일한 원소의 원자는 질량이나 성질이 모두 일정하고, 홑원소물질의 원자는 이를 새로 만들 수도 없고 파괴할 수도 없으며, 화합물에서 그 원자는 일정한 정수개의 성분원소의 원자가 모여서 만들어진 복원자로 이루어져 있다. 이상과 같은 설을 이용하면 화학량론의 여러 법칙을 매우 간단히 설명할 수가 있다.

돌턴의 원자론에 따르면 원자는 더이상 쪼개지지 않아야 하지만, 이후 원자는 더 작은 입자인 양성자, 전자, 중성자로 쪼개질 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또 같은 종류의 원자라 하더라도 질량이 다를 수가 있는데, 동위원소가 바로 이러한 경우로 질량수가 12인 탄소가 있는가 하면 질량수가 13인 탄소도 존재하는 것이다. 그 밖에도 기체반응의 법칙을 설명할 수 없는 모순이 있었고, 이 후 화학결합의 단위인 미립자로서의 원자 외에 각 물질의 독자적인 성질을 갖는 최소 입자로서의 원자가 있다는 사실이 인정되어, 후자는 오늘날 분자로 불리게 된다.

이처럼 돌턴의 원자론은 수정되어야 할 부분들이 존ㅅ재한다. 하지만 원자라는 개념을 이해하고 설명하는 데 있어 돌턴의 원자설은 매우 중요하며, 이후 원자에 대한 연구가 활발히 이루어지는 데에도 큰 역할을 하였다.

기체 반응 법칙

프랑스의 게이뤼삭은 기구로 대기의 성분을 조사하다가 대기의 성분 중 수소와 산소가 2:1이라는 간단한 정수비로 결합한다는 사실을 발견하였고, 나아가 같은 압력에서 수소와 산소, 수증기의 부피는 각각 2:1:2의 정수비 결합이라는 사실도 발견하였다. 이러한 발견을 통해 1805년 기체 반응의 법칙을 발표하였다. 기체 반응의 법칙은 기체의 화학 반응의 경우, 반응물질과 생성물질 사이에는 간단한 정수비가 성립함을 밝힌 법칙이다. 게이뤼삭의 발견은 수소 2부피(2H)와 산소 1부피(O)가 만나 물 1부피(H2O)가 형성된다는 당시의 원자 개념에는 모순된 것이다. 그러므로 그는 자신의 발견을 설명하기 위해서 복합 원자인 분자를 가정하였다. 이러한 게이뤼삭의 기체 반응의 법칙과 기존의 돌턴의 원자 이론 사이의 모순은 1811년 이탈리아의 물리학자인 아보가드로의 분자 개념의 도입으로 해결되었다.

아보가드로의 분자설

1811년 이탈리아의 물리학자 아보가드로가 분자 개념을 사용한 분자설을 주장하였다. 아보가드로 이전에 게이뤼삭은 수소와 산소가 결합하여 수증기가 생성되는데 그 부피비는 2:1:2의 간단한 비율이라는 기체 반응의 법칙을 발표하였다. 이 이론은 돌턴이 주장한 원자 이론로는 설명하기 어려운 것으로, 아보가드로가 분자 개념을 도입함으로써 해결되었다. 

아보가드로가 주장한 분자는 같은 종류의 두 원자가 결합한 것이다. 그러나 아보가드로의 분자설은 당시에는 빛을 보지 못하였다. 당시 과학자들은 같은 종류의 원자 사이에는 반발력이 작용한다고 믿었기 때문이다. 아보가드로의 분자 개념이 인정된 것은, 1860년 이탈리아의 카니차로가 분자설을 소개하고 명확하게 해석한 이후였다.