소금이 물에 녹으면 나트륨과 염소가 전하를 띤 입자로 갈라진다. 이때 비로소 우리 몸의 신경이 작동하고, 배터리가 흐른다 — 이온의 세계.
원자는 보통 전기적으로 중성이다 (양성자 수 = 전자 수). 그런데 전자를 잃거나 얻으면 균형이 깨져 전하를 띤 입자가 된다 — 이것이 이온이다.
왜 원자는 전자를 잃거나 얻을까? 답은 안정해지기 위해서다. 가장 바깥 껍질에 전자 8개(또는 헬륨처럼 2개)를 채우면 매우 안정한 상태가 된다 — 비활성 기체처럼.
· 가장 바깥 전자가 적은 원소(1, 2, 3개)는 → 전자를 잃기 쉬움 → 양이온 (Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺)
· 가장 바깥 전자가 많은 원소(5, 6, 7개)는 → 전자를 얻기 쉬움 → 음이온 (Cl⁻, O²⁻, N³⁻)
· 가장 바깥 전자가 이미 8개(또는 헬륨 2개)인 원소(비활성 기체)는 → 이온이 잘 안 됨
실험에서 일어나는 일을 정리하면:
① 나트륨(Na, 양성자 11, 전자 11)의 가장 바깥 전자 1개가 떨어져 나가 → Na⁺(양성자 11, 전자 10, 전하 +1)
② 그 전자가 염소(Cl, 양성자 17, 전자 17)의 바깥 껍질로 들어감 → Cl⁻(양성자 17, 전자 18, 전하 −1)
③ Na⁺와 Cl⁻는 서로 끌어당기며 결합해 NaCl(소금) 결정을 형성한다.
NaCl을 우리는 흔히 "소금 분자"라 부르지만, 사실 소금에는 분자라는 단위가 없다. 수많은 Na⁺와 Cl⁻ 이온이 번갈아 가며 거대한 입방체 격자를 이루고 있을 뿐.
큰 보라색 공이 Cl⁻, 작은 회색 공이 Na⁺. 한 Na⁺는 6개의 Cl⁻에 둘러싸여 있고, 한 Cl⁻도 6개의 Na⁺에 둘러싸여 있다. 이렇게 전기적 인력으로 단단히 묶인 것이 이온 결합이다.
생명체와 일상에 중요한 이온들이다.
| 원자 | 양이온 | 음이온 | 일상 |
|---|---|---|---|
| 수소 | H⁺ | — | 산성도 결정 |
| 나트륨 | Na⁺ | — | 소금, 신경 신호 |
| 마그네슘 | Mg²⁺ | — | 식물의 엽록소 |
| 칼슘 | Ca²⁺ | — | 뼈·이, 신호 전달 |
| 알루미늄 | Al³⁺ | — | 합금, 안료 |
| 철 | Fe²⁺, Fe³⁺ | — | 피의 헤모글로빈 |
| 산소 | — | O²⁻ | 물·산화물 |
| 염소 | — | Cl⁻ | 소금, 위산 |
일상에서 이온이 활약하는 곳들:
· 소금물·바닷물: NaCl이 물에 녹아 Na⁺와 Cl⁻로 분리되어 전기를 흐르게 함
· 스포츠 음료: Na⁺·K⁺·Mg²⁺ 등의 전해질이 땀으로 잃은 이온을 보충
· 배터리: 이온이 양극·음극 사이를 이동하며 전류를 만듦
· 위산: H⁺와 Cl⁻이 음식을 소화시킴
· 뇌·신경 신호: Na⁺·K⁺·Ca²⁺의 이동으로 전기 신호가 전달됨
스마트폰·전기차에 쓰이는 리튬 이온 배터리는 리튬 이온(Li⁺)이 두 전극 사이를 왔다 갔다 하며 작동한다. 충전할 땐 한쪽으로, 방전할 땐 반대쪽으로 이온이 이동.
이온의 움직임이 전기를 만드는 원리는 1900년대 초 갈바니·볼타로부터 시작되어 오늘날 모든 휴대 전자 기기를 가능하게 했다.
레몬은 시고, 비누는 미끄럽다. 이 차이의 원인이 바로 특정한 이온의 양이다.
물 속에서 수소 이온(H⁺)이 많으면 산성, 수산화 이온(OH⁻)이 많으면 염기성이라 한다. 두 이온의 양이 같으면 중성.
· 산성: 시큼한 맛 (레몬·식초·콜라·위산)
· 염기성: 쓴맛·미끄러움 (비누·암모니아수·표백제)
· 중성: 순수한 물·소금물
이 정도를 0~14까지의 숫자로 나타낸 것이 pH(피에이치)다. 7이 중성, 작아질수록 산성 강함, 커질수록 염기성 강함.
pH를 측정하는 도구로는 리트머스 종이(파랑·빨강의 변화 관찰), BTB 용액(노랑·초록·파랑), pH 미터(숫자로 직접 측정) 등이 있다. 식물의 안토시아닌(붉은 양배추 즙)도 pH 지시약으로 쓸 수 있다.