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.

전통 육종

전통육종은 자연적으로도 교배가 가능한 종이나 속에 속하는 식물들을 인위적으로 교배시킴으로써 보다 우수한 형질을 가진 품종을 만들어내는 것을 말한다. 육종을 하면 후대에서 원하는 형질이 나타나기도 하지만, 원하지 않았던 형질까지 나타나기도 한다. 그러면 후대 중에서 가장 바람직한 형질을 지닌 개체를 선발하여 다시 교배하는 과정을 거치게 된다. 원하는 품종이 육성될 때까지 이러한 교배와 선발과정이 반복된다. 이와 같이 육종 과정에서는 대체적으로 시간과 비용이 많이 소요된다. 유전자변형과 육종은 목표하는 바는 같지만 유전자변형은 자연적으로 교배가 불가능한 생물종의 유전자를 이용한다는 점에서 차이가 있다. 또한 대체적으로 전통육종 방법에 비해 시간과 비용이 적게 든다. 하지만, 유전자변형작물의 경우 안전성을 검증 받아야 한다는 점에서 큰 제약이 있다. 아래 그림은 전통육종에 비해 유전자변형 방법이 좀 더 쉽고 빠르게 우수한 품질을 가진 품종을 생산할 수 있음을 보여준다

비료의 역사

퇴비는 농업이 시작된 때와 거의 동시에 사용되기 시작했는데, 그것은 뼛가루, 재, 건혈, 초석, 구아노, 물고기 등의 사용이 토지나 작물에 미치는 영향을 이해하기 훨씬 전부터였다. 미개간지가 없어지는 한편 비료의 제조기술과 수송능력이 향상됨에 따라 필요한 식량과 섬유를 생산하는 데 있어서 비료의 역할은 더욱 중요해졌다. 비료를 사용하기 위해서는 우선 식물생장에 대한 양분의 기능을 이해해야 한다. 고대 로마인은 이미 BC 200년부터 AD 100년말에 윤작, 산성토양에 대한 석회의 사용, 두엄의 사용, 공기 중의 유리 질소를 고정하는 콩과 식물의 재배 등의 경험을 바탕으로 토양 비옥도에 관한 지식을 쌓아왔다. 화학자들이 식물 양분에 관한 연구를 시작한 것은 약 1750~1800년이다. 1804년 스위스의 테오도르 드 소쉬르가 정량법을 사용하여 몇 가지 중요한 원리를 확립했다. 1834년 프랑스의 장 바티스트 부생고는 처음으로 포장시험을 했다. 1840년 독일의 유스투스 폰 리비히는 식물이 영양분을 부식물로부터 섭취한다고 하는 부식설을 부정하는 몇 가지 새로운 이론을 창안하여 농업의 비옥성 연구에 세인의 관심을 집중시켰다. 1886년 독일의 헤르만 헬리겔과 H. 빌파르트가 어떤 종류의 미생물은 콩과식물의 뿌리에 작은 혹을 형성하여 공기로부터 질소화합물을 만들어낸다는 것(공중질소고정)을 알아냈다. 1880년대 후반부터는 더 나아가서 필수요소의 측정, 시비의 최적시기, 비율, 방법, 비료조성에 관한 연구가 활발해졌다.

질소 고정

천연에서 질소는 빛이나 우주선에 의해 질산으로 고정되지만, 질소고정에 보다 중요한 역할을 하는 것은 토양 속에 있는 미생물이다. 질소고정의 90％ 이상을 이 미생물들이 하고 있다.

질소고정을 하는 것으로는 비공생균과 공생균의 2종류가 있다. 비공생균에는 아나바이나속과 염주말속을 포함하여 아조토박터속, 베이예링키아속, 클로스트리디움속 등이 있다. 공생균에는 콩과식물에 공생하는 근류균, 벼과식물에 공생하는 스피릴룸 리포페룸이 있다. 질소고정을 하는 공생균은 숙주식물의 뿌리털에 침입하여 그곳에서 증식하고 뿌리혹의 생성 및 밀접한 관계에 있는 세균과 식물 세포의 증식을 자극한다. 뿌리혹 속에 들어 있는 세균은 숙주식물이 성장하는 데 이용할 수 있도록 유리질소를 질산염으로 전환시킨다. 콩과식물(예를 들면 알팔파·콩·토끼풀류·완두·대두 등)이 잘 성장하고 혹이 충분히 형성되도록 하기 위하여 상업적으로 재배된 적절한 근류균종을 씨앗에 접종한다. 필요한 세균이 없거나 부족한 토양에는 이 과정이 특히 필요하다.
농업과 그밖의 산업에서 질소화합물에 대한 수요가 증가하면서 천연에서 산출되는 질산염 퇴적물이 점점 부족하게 되었다. 1909년에 독일의 화학자 프리츠 하버는 공기 중의 질소가 특수한 조건하에서 수소와 결합하여, 다양한 질소화합물을 만드는 출발물질인 암모니아를 만든다는 사실을 발견했다. 이 방법은 카를 보슈에 의해 상업적으로 개발되어 하버-보슈법 이라 부르게 되었다.

원자가띠와 전도띠

원자가띠 : 온도가 0K인 상태에서 원자 내부의 전자들은 허용된 띠의 에너지가 낮은 부분부터 채워 나가는데, 원자의 제일 바깥쪽에 있는 전자가 차지하는 에너지 띠를 원자가띠라고 한다.
전도띠 : 원자가띠에 있던 전자는 열에너지나 전기장으로부터 에너지를 흡수하면 더 높은 에너지 띠로 이동하여 고체 내부에서 이동할 수 있는데, 이와 같이 원자가띠 위에 있는 에너지 띠를 전도띠라고 한다. 원자가띠와 전도띠 사이의 에너지 간격의 크기에 따라 부도체, 반도체, 도체 3가지로 분류할 수 있다.

비금속 광물 자원

비금속 광물 자원
비금속 광물 자원은 현대 문명에서 차지하는 비중이 점차증가하는 추세이며 사용용도에 따라 화학 공업과 의약품, 비료 산업, 건축 재료, 요업 공업, 보석 광물 등으로 분류된다.
화학 공업과 의약품 : 소금, 붕산, 유황, 리튬, 스트론튬 등이 있으며, 유황은 각종 화학 공업에 필수적인 광석이다.
비료 산업 : 석회석, 돌로마이트, 규회석, 지올라이트, 벤토나이트, 규조토 등이 이용된다.
건축 재료 : 모래, 자갈, 석회석, 석고, 점토 광물 등이 이용된다. 특히 석회석은 시멘트의 원료로 필수적인 광석이다.
요업 공업 : 점토, 장석, 석영 등이 쓰이며, 연마재로는 금강석, 강옥, 석류석, 석영 등이 이용된다.
보석 광물 : 보석 광물의 종류는 20여 종이 취급되고 있다. 보석 광물을 단일 광물에 대한 변종이 다양하게 밝혀지면서 서로 다른 보석 명칭으로 불리기도 한다. 대부분의 보석 광물은 무기질 기원이지만 진주, 산호, 호박 등과 같이 유기질 기원도 있다.
세라믹
비금속 광물에 열을 가해 만든 무기(無機)재료를 말한다.
세라믹의 장점 : 열에 잘 견디는 내열성, 표면이 딱딱한 경질성, 마찰에 잘 닳지 않고 견디는 내마모성, 화학성 침식에 강한 내식성 등이 있다.