공통 과학 - 1.2 알칼리 금속과 할로겐 원소
1. 알칼리 금속/2. 할로겐 원소
원소들 중에 가장 반응성이 큰 족을 고르라면
금속으로는 알칼리 금속, 비금속으로는 할로겐 원소입니다.
지금부터 배울 것은 같은 족으로서 갖는 공통성에 관해서입니다.
1. 알칼리 금속(Li, Na, K, Rb, Cs)
거의 대부분의 금속은 은백색 광택을 갖고 있습니다.
물론 금이나 구리처럼 독특한 색깔을 띠는 것도 있지만요.
알칼리 금속도 은백색 광택을 띠는 점에서는 마찬가지인데,
알칼리 금속은 매우 반응성이 커서
공기 중의 산소와 쉽게 반응합니다.
리튬이나 나트륨, 칼륨 같은 알칼리 금속을 칼로 자른 단면을
공기 중에서 관찰하면 은백색 광택이 곧 사라지는 것을 볼 수 있죠.
금방 산화하기 때문이죠.
따라서 알칼리 금속은 공기와 접촉하지 않도록 해야 하기 때문에
보통 등유 속에 보관합니다.
주기율표는 원자 번호( = 양성자수 = 중성 원자가 갖고 있는 총 전자수)가
작은 것으로부터 차례로 늘어 놓은 것이므로,
같은 족에서 아래로 갈수록 원자 번호가 크며 그만큼 큰 원자이고,
원자핵에서 가장 바깥에 있는 전자까지의 거리가 멀어서
전자를 쉽게 잃어 양이온으로 됩니다.
따라서 알칼리 금속은 주기율표에서 아래로 갈수록 반응성이 큽니다.
여러분들 혹시 집에서 냄비에 라면 끓이다가
라면 국물이 끓어 넘친 기억들 갖고 있나요?
그때 가스 레인지에서 보이는 불꽃 색깔 생각납니까?
아마 주황에 가까운 노랑색 또는 오렌지빛이라 해도 좋겠지요.
이런 빛깔은 아마 김치 찌개나 된장 찌개가 넘쳤을 때도
볼 수 있을 겁니다. 이게 바로 소금 속에 들어 있는
나트륨이 보여 주는 불꽃 반응이라는 것이죠.
거리의 가로등에도 나트륨등이 있습니다.
이것도 나트륨의 불꽃 반응을 응용한 예이죠.
불꽃 반응은 주로 알칼리 금속과 알칼리 토금속에서 볼 수 있는데
가열된 불꽃 속에 이런 금속 원소들이 있으면,
금속 원소가 화합물로 있든 홑원소 상태이든
관계 없이 고유의 불꽃색을 보이므로 원소 분석에 이용할 수 있습니다.
대표적인 불꽃색은 Li ; 빨강, Na ; 노랑, K ; 보라입니다.
알칼리 금속은 본디 알칼리라는 말이 염기성을 뜻하는 데서 짐작되듯이
물과 반응하여 강염기성 물질이 생깁니다.
2Na + 2H2O --> 2NaOH + H2
예를 들어 위의 반응에서 나트륨은 물과 격렬히 반응하여
수산화나트륨과 물이 생깁니다.
수용액의 액성을 알아보는 데 많이 쓰는 지시약으로는
페놀프탈레인 용액이 있는데,
페놀프탈레인 용액은 산성이나 중성일 때는 무색이고
염기성 용액에서는 붉은색입니다.
알칼리 금속은 위에서도 말했듯이 반응성이 매우 크므로
알칼리 금속을 사용하는 실험을 할 때는 매우 조심해야 합니다.
자칫 잘못하면 폭발, 화재 등의 사고가 날 염려가 있죠.
금속이니까 당연히 전기가 잘 통하겠죠?
2. 할로겐 원소(F, Cl, Br, I)
위 표를 보면 할로겐에 대한 몇 가지 성질을 알 수 있습니다.
먼저 할로겐의 특징 중 여러분들이 기억해 둘 것은
비금속 원소 중 상온(섭씨 25도를 말합니다)에서
유일한 액체인 것이 브롬이며 색깔은 적갈색이라는 점입니다.
==> 브롬은 상온에서 적갈색 액체
할로겐의 반응성은 F2 > Cl2 > Br2 > I2 순이라는 것은
수소와 반응하는 정도를 보면 알 수 있고,
분자 간 인력의 크기는 끓는점으로부터 알 수 있습니다.
끓는점이 높으면 분자 간에 작용하는 인력이 큰 것이죠.
왜냐 하면 인력(引力)이란 서로 끌어당기는 힘을 말하는데,
인력이 강하면 끌어당기는 힘이 센 것이므로
서로 떼어놓기가 어려워서 기체로 되려면
많은 에너지가 필요하지요. 따라서 끓는점이 높게 됩니다.
할로겐은 비금속성이 큰 원소로서
원자핵의 가장 바깥에 전자가 7개 있어서-원자가전자라고도 합니다-
전자 1개를 받아들여 1-가 음이온이 되기 쉽습니다.
이들의 수소 화합물은 모두 산성을 띠는데, HF는 약한 산이지만
HCl, HBr, HI 모두 강한 산성을 띱니다.
염산은 물에 염화수소(HCl)을 녹인 용액으로서 널리 알려진 강산이죠.
할로겐화 이온은 F- 이온을 제외하고
모두 은 이온(Ag+)과 앙금(침전)을 만듭니다.
특히 염화 이온(Cl-)의 검출법으로 쓰이는
AgCl 흰 침전은 유명한 것이니까 꼭 기억하세요.
즉, 어떤 수용액에 질산은(AgNO3) 수용액을 떨어뜨렸더니
흰 침전이 생겼다면 이것은 바로 그 수용액에
염화 이온(Cl-)이 들어 있다는 증거가 됩니다.
끝으로 가장 중요한 대목인데,
바로 할로겐의 반응성을 비교하는 방법이죠.
금속이든 비금속이든 반응성의 세기를 비교하는 원칙은 간단합니다.
'동물의 세계'라는 TV 프로그램을 보면
발정기가 된 사슴 수컷들이 암컷을 차지하려고
치열하게 싸우는 것을 볼 수 있는데,
그러다가 힘이 약한 놈은 결국 밀려나게 마련이죠.
반응성의 세기 비교도 마찬가지로
센 것이 약한 것을 밀어냅니다.
반응성이 크면 화합 또는 이온화하고,
반응성이 작으면 석출된다(쫓겨난다)는 것이죠.
[화합물1] + [홑원소1] --> [화합물2] + [홑원소2]
위와 같은 형태의 반응이 있을 때
[홑원소1]과 [홑원소2]의 반응성을 비교할 수 있습니다.
[홑원소2]가 쫓겨나 석출되었으므로
반응성은 [홑원소1]>[홑원소2]로 판단합니다.
(예) KBr 수용액으로부터 Br2를 석출시킬 수 있는 방법을 고르면?
(1) 염소수를 첨가한다.
(2) 요오드 수용액을 첨가한다.
(3) 염화나트륨을 넣는다.
(4) 염화칼륨을 넣는다.
(5) 요오드화칼륨 수용액을 첨가한다.
{풀이} 브롬보다 반응성이 큰 할로겐만
브롬을 석출시킬 수 있으므로 (1)번이 답입니다.
염화물인 (3), (4)번은 브롬을 석출시킬 수 없습니다.
홑원소가 아닌 화합물 상태에서는
이미 음이온으로 만족하고 있기 때문입니다.
염소를 물에 녹인 용액을 염소수라 하는데,
염소는 물에 그리 잘 녹는 편은 아니지만
물에 약간 녹으며, 물에 녹은 염소 중 일부는
물과 다음 반응식과 같이 반응합니다.
Cl2 + H2O --> HCl + HOCl
따라서 염소수는 산성을 띠게 됩니다.
또한 HOCl(하이포아염소산)은 살균, 표백 작용을 하므로
수돗물 소독에도 쓰이죠.