금속은 왜 녹스는가?

Ⅰ. 탐구동기 및 목적

10원짜리 동전이 오래되면 녹슬고, 국회의사당 지붕도 녹이 슬어서 주황빛에서 청록색으로 변하고 습한 날에는 쇠붙이가 붉게 녹슬어 버린다. 이러한 현상들을 보고 금속이 쉽게 부식되는 조건에 대해 알아보고 금속의 종류에 따라 녹스는 정도를 실험해 보고 싶었다. 금속의 화학적 원리를 자세히 알아보고 금속의 부식을 방지하는 방법과 금속의 부식을 생활 속에 이용한 사례에 대해서도 탐구해 볼 것이다.

Ⅱ. 이론적 배경

1. 금속

가. 금속의 정의

금속은 고체 상태에서 광택이 나고 열과 전기가 잘 통하며, 가늘고 길게 뽑을 수 있고, 얇고 넓게 펼 수 있는 성질을 가진 물질을 말한다.

금속은 주기율표상의 주로 1, 2, 3족 원소인 금속원자들이 금속결합에 의해 고체를 만든다.

나. 원소주기율표에서의 금속

원소는 더 이상 다른 물질로 분해되지 않는 물질을 이루는 기본 성분이다.

현재까지 알려진 원소는 110여 종이며, 크게 금속원소와 비금속원소로 나눌 수    있는데, 비금속원소는 22종이고, 나머지는 모두 금속 원소이다.

다. 금속의 성질을 결정하는 자유 전자

1) 보통 원자들에 있는 전자들은 한 원자 안에서만 그 궤도에서 돈다.

* 이것은 원자의 구성을 나타내는 그림이다. 중심에 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵과 그 주위를 도는 전자를 그림에서 볼 수 있다.

2) 금속들도 원자로 이루어져 있다. 하지만, 금속의 전자는 원자핵에서 떨어져 원자 밖으로 나가 원자 사이를 자유롭게 돌 수 있는데, 이를 자유 전자라고 한다. 그리고 이 자유 전자가 금속의 기본 성질을 만든다.

라. 금속의 성질

1) 금속은 모두 불투명하며 특유의 금속광택을 가진다. 금속의 자유 전자는 햇빛을 흡수하지 않고 대부분 반사하고 이렇게 반사된 빛 때문에 금속은 광택을 낸다.

2) 열과 전기를 잘 전달한다.

자유 전자가 금속 어디든지 마음대로 다닐 수 있어 전기와 열을 잘 전달한다.

3) 가늘게 늘어나고 넓게 퍼진다.(금속의 연성과 전성)

금속 안에는 양이온과 자유 전자가 많다. 따라서 금속에 충격을 가해 양이온 위치가 변해도 자유전자가 그 사이로 옮겨 가며 양이온들을 잡아준다. 그래서 금속을 넓게 펴도, 실처럼 가늘게 뽑아도 금속이 산산이 조각나거나 끊어지지 않고 금속자체의 성질을 잘 유지할 수 있다.

* 이온 : 원자가 하나 이상의 전자를 잃거나, 얻게 되면 이온이 된다.

양이온 : 전자를 잃는 것

음이온 : 전자를 얻는 것

4) 금속은 비중이 크고 녹는점이 높은 편이다.

금속비중은 방향성이 없는 금속결합을 이루고 있으므로 원자들이 비교적 매우 빽빽하게 존재한다. 따라서 비중도 비교적 크다.

또한 금속결합은 그 결합력이 큰 결합이므로 녹는점이 높은 편이다. 주로 수백도~2500도 정도이다. 그러나 갈륨(섭씨 28도)이나 수은(섭씨 -39도), 텅스텐(섭씨 3410도), 오스뮴(섭씨 3054도) 등의 예외도 있다.

2. 금속의 부식

가. 금속부식의 정의

금속이 산화되어 광택과 전기 전도성이 떨어지고, 강도가 약해져 쉽게 부스러지는 것을 말한다.

나. 금속이 녹스는 이유

부식은 금속이 산화되어 나타나는 현상이다. 이때 산화는 어떤 물질이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 잃는 현상을 말한다. 그리고 반대 의미인 환원은 어떤 물질이 산소를 잃거나 수소나 전자를 얻는 현상이다. 산화와 환원은 항상 동시에 일어나고 이 때 각각 잃는 전자 수와 얻는 전자수가 같다.

금속을 이루는 원자들이 얼마나 쉽게 양이온이 되는가에 따라 금속은 빨리 녹슬기도 하고 천천히 녹슬기도 한다. 금속이 전자를 쉽게 잃으면 산화가 잘 되어 녹이 빨리 슬고, 전자를 잘 잃지 않으면 산화가 더디어 천천히 녹이 슨다.

산화 : 양이온이 된다. 전자를 잃는다.

환원 : 음이온이 된다. 전자를 얻는다.

다. 금속의 이온화 경향

왕수 : 진한 염산과 진한 질산이 섞인 것이다.

1) 금속은 대부분 자신이 가지고 있는 전자를 내놓고 금속 양이온이 되려는 성질이 강하다. 이온이 되려는 성질이 강하다는 것은 산화하기 쉽다. 양이온이 되려는 성질을 ‘이온화 경향‘ 이라고 한다.

2) 이온화 경향이 클수록 환경에 반응하는 성질 즉 반응성이 크다. 금속의 녹스는 정도가 다른 것은 이러한 반응성이 저마다 다르기 때문이다.

금속의 이온화 경향이 큰 순서대로 나타내면 세슘≻칼륨≻칼슘≻나트륨≻마그네슘≻알루미늄≻아연≻철≻티타늄≻니켈≻주석≻납≻(수소)≻구리≻수은≻은≻백금≻금≻오스뮴 순서이다.

이온화 경향이 큰 금속은 공기 중에 그대로 놓아두면 쉽게 산화하여 표면의 광택이 금방 사라지고 부식이 일어난다. 그래서 이런 금속들은 공기와 만나지 않도록 석유에 담가 보관한다. 이온화 경향이 작은 금속들은 공기 중에 그대로 놓아두어도 부식이 잘 일어나지 않고 쉽게 변하지 않기 때문에 장신구로 많이 사용된다.

3) 이온화 경향이 큰 금속들은 전자의 바깥쪽 껍데기에 있는 전자자 빠져나가기 쉽고, 이온화 경향이 작은 금속은 바깥쪽 껍데기에 있는 전자자 빠져나가기 어렵다.

4) 여기서 비금속인 수소를 넣은 이유는 수소도 양이온이 되는 성질이 있기 때문이다.

라. 부식을 생활에서 이용하거나 부식을 방지하는 예

1) 기름이나 도료 칠하기

금속에 기름이나 도료를 칠하면 금속이 수분이나 산소를 차단해 부식을 막을 수 있다.

2) 반응성이 작은 금속으로 덮기

가) 통조림 깡통

통조림 깡통은 철에 반응성이 상대적으로 작은 주석을 입힌 양철을 사용한다.

양철로 된 캔 모습이다.

3) 반응성이 큰 금속으로 덮거나 다른 금속을 부식시키기

가) 함석지붕

함석은 철에 반응성이 상대적으로 큰 아연을 씌운 것이다.

겉에 입힌 아연은  안쪽의 철보다 빠르게 산화하여 탄산아연의 녹 방지막이 생긴다. 만일 아연이 긁혀 철이 드러나더라도 아연이 철 대신에 부식을 해서 철은 보호된다.

함석으로 된 지붕이다.

나) 음극화 보호

철로 된 기름통에 반응성이 상대적으로 큰 마그네슘을 연결시켜 마그네슘을 대신 부식시키거나, 철 선박 밑에 반응성이 상대적으로 큰 아연을 씌워 아연을 대신 부식시키거나, 쇠 파이프에 마그네슘을 연결해 쇠 파이프 대신 마그네슘이 산화되도록 하기도 한다.

4) 금속이 녹슬 때 열이 나는 성질 이용하기

가) 일회용 손난로(핫팩)

일회용 손난로 는 부직포 겉포장이 있고, 안에는 공기 중 산소와 반응해 열을 내는 철가루와 반응을 빠르게 해주는 소금과 활성탄 등이 있다. 포장 안의 철가루가 공기 중 산소와 만나면 열이 나는데, 한번 산화가 되고 열이 사라지면 복구하기 어렵기 때문에 다시 쓰기 어렵다는 단점이 있다.