이온화 경향 문서 원본 보기

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'''이온화 경향'''(-化傾向, {{llang|en|ionization tendency}})이란, [[용액]] 속(주로 [[수용액]] 속)에서 [[원소 (화학)|원소]](주로 [[금속]])의 [[이온]]이 되기 쉬움을 나타낸다. '''전기화학열'''(電氣化學列)이라고도 불린다.

== 개요 ==
{{출처 필요 문단|날짜=2017-12-03}}
용액 속에 있는 [[홑원소 물질]]과 다른 원소의 이온이 존재할 때, 양쪽 사이에서 [[산화·환원 반응|산화환원반응]]이 일면서, 홑원소 물질은 [[산화]]되어서 [[이온화]]되는 데 비해, 다른 한 쪽은 [[환원]]되어서 홑원소로 [[석출]]된다. 이 때, 환원된 원소보다 산화된 원소 쪽이 이온화 경향이 커진다. 어느쪽이 산화되고 어느쪽이 환원되는지는 [[산화·환원 전위|산화환원전위]]의 대소에 의존하기 때문에, 이 [[전위]]순으로 원소를 늘어놓은 것이 이온화 경향의 순서가 된다.

이온화 경향이 작을수록 이온은 환원되어 금속으로 석출되기 쉬워진다. 또한, 이온화 경향이 큰 금속 홑원소 물질이라도 [[용융염 전해]] 등으로 얻을 수 있다.

거기에, 이온화 경향과는 다른 지표에는 [[이온화 에너지]]라는 것이 있다. 이것은 [[원자핵]]에 속박되어 있는 [[전자]]가 [[이온화|전리]]되는 데에 필요한 에너지값이자, 문자대로 [[원자]]의 이온화가 되기 쉬움을 나타내는 지표이다. 그러나, 산화환원반응이 진행되는 방향은 단순히 이온화 에너지의 대소만으로 이루어지지 않으며, 이온 용액 속에서의 안정성이나 전기화학 활량 등 [[화학 평형|화학평형]]으로서 반응이 진행되는 방향을 결정짓는 다른 인자에 크게 영향을 받는다.

중고등 수준의 [[자연 계열|이과]]·[[화학]]에서는 산화환원반응이나 [[화학 평형|화학평형]]을 자세히 다루지 않기 때문에, 설명을 단순화해서 「이온화 경향은, 원소가 이온화되기 용이함의 서열이다」라고 정의하고 있는 경우가 많다. 하지만 정확히는, 두 개의 원소 중 어느쪽이 산화되기 쉬운(혹은 환원되기 쉬운)가, 즉 산화환원반응에서의 화학평형이 어느쪽에 치우쳐 있는가에 대한 서열이다.

== 금속의 이온화 경향 ==
이온화 경향은 수용액 속에서 수화이온과 홑원소 금속 사이의 표준 산화환원전위 순서로 나타난다. 이 때, 수화금속이온은 무한희석상태인 가상적인 1 mol/kg의 이상용액상태를 기준으로 두고, 그 표준 산화환원전위와 수화금속이온의 표준생성깁스자유에너지 변화와는 다음의 관계가 있다.

<math>\Delta _{\rm{f}}G^\circ = zFE^\circ</math>

여기서 F는 [[패러데이 상수]], z는 이온의 전하이다.

금속의 이온화 경향을 큰 것부터 배열하면 다음과 같이 된다. (개별로 각주가 붙지 않은 금속의 전위는 『화학편람 기초편 개정4판』(化学便覧 基礎編 改訂4版)<ref name="binran">{{서적 인용|author=|editor=日本化学会編|title=化学便覧 基礎編|edition=改訂4版|year=1993|publisher=[[丸善]]|isbn=4-621-03870-2|page=}}</ref>를 따른다) 단, 괄호 속의 문자는 깁스자유에너지 변화의 계산값<ref name="Parker">D.D. Wagman, W.H. Evans, V.B. Parker, R.H. Schumm, I. Halow, S.M. Bailey, K.L. Churney, R.I. Nuttal, K.L. Churney and R.I. Nuttal, The NBS tables of chemical thermodynamics properties, ''J. Phys. Chem''. Ref. Data 11 Suppl. 2 (1982)</ref>(을 따르는 수치).
{| "
|[[리튬]] (Li),
| <ce>Li^{+}(aq)\ + \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Li(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -3.045 V}</math>
|-
|[[세슘]] (Cs),
| <ce>Cs^{+}(aq)\ + \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Cs(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -2.923 V (-3.027 V)}</math>
|-
|[[루비듐]] (Rb),
| <ce>Rb^{+}(aq)\ + \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Rb(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -2.924 V (-2.943 V)}</math>
|-
|[[칼륨]] (K),
| <ce>K^{+}(aq)\ + \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ K(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -2.925 V (-2.936 V)}</math>
|-
|[[바륨]] (Ba),
| <ce>Ba^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Ba(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -2.92 V}</math>
|-
|[[스트론튬]] (Sr),
| <ce>Sr^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Sr(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -2.89 V}</math>
|-
|[[칼슘]] (Ca),
| <ce>Ca^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Ca(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -2.84 V}</math>
|-
|[[나트륨]] (Na),
| <ce>Na^{+}(aq)\ + \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Na(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -2.714 V}</math>
|-
|[[마그네슘]] (Mg),
| <ce>Mg^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Mg(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -2.356 V}</math>
|-
|[[토륨]] (Th),
| <ce>Th^{4+}\ + 4 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Th\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -1.90 V}</math><ref name="mekki">{{웹 인용|url=http://www.tmk.or.jp/datapdf/data51.pdf|format=pdf|title=各種金属の標準電極電位|publisher=東京都鍍金工業組合|accessdate=2012-01-04|archive-date=2012-05-17|archive-url=https://web.archive.org/web/20120517050939/http://www.tmk.or.jp/datapdf/data51.pdf|url-status=}}</ref>
|-
|[[베릴륨]] (Be),
| <ce>B\mathit{e}^{3+}\ + 3 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Be\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -1.85 V}</math>
|-
|[[알루미늄]] (Al),
| <ce>Al^{3+}(aq)\ + 3 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Al(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -1.676 V}</math>
|-
|[[타이타늄|티타늄]] (Ti),
| <ce>Ti^{4+}\ + 4 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Ti\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -1.63 V}</math>
|-
|[[지르코늄]] (Zr),
| <ce>Zr^{4+}\ + 4 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Zr\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -1.534 V}</math>
|-
|[[망가니즈|망간]] (Mn),
| <ce>Mn^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Mn(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -1.18 V}</math>
|-
|[[탄탈럼]] (Ta),
| <ce>Ta2O5(s){+}10H^{+}(aq){+}10 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ 2Ta(s){+}5H2O\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -0.81 V}</math>
|-
|[[아연]] (Zn),
| <ce>Zn^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Zn(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -0.7626 V}</math>
|-
|[[크로뮴]] (Cr),
| <ce>Cr^{3+}(aq)\ + 3 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Cr(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -0.74 V}</math>
|-
|[[철]] (Fe),
| <ce>F\mathit{e}^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Fe(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -0.44 V}</math>
|-
|[[카드뮴]] (Cd),
| <ce>Cd^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Cd(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -0.4025 V}</math>
|-
|[[코발트]] (Co),
| <ce>Co^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Co(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -0.277 V}</math>
|-
|[[니켈]] (Ni),
| <ce>Ni^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Ni(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -0.257 V}</math>
|-
|[[주석 (원소)|주석]] (Sn),
| <ce>Sn^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Sn(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -0.1375 V}</math>
|-
|[[납]] (Pb),
| <ce>Pb^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Pb(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ -0.1263 V}</math>
|-
| ([[수소]] (H2)),
| <ce>2 H^{+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ H2(g)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ 0 V}</math>
|-
|[[안티모니]] (Sb),
| <ce>Sb2O3(s){+}6H^{+}(aq){+}6\mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ 2Sb(s){+}3H2O\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ 0.1504 V}</math>
|-
|[[비스무트]] (Bi),
| <ce>Bi^{3+}(aq)\ + 3 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Bi(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ 0.3172 V}</math>
|-
|[[구리]] (Cu),
| <ce>Cu^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Cu(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ 0.340 V}</math>
|-
|[[수은]] (Hg),
| <ce>Hg2^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ 2 Hg(l)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ 0.7960 V}</math>
|-
|[[은]] (Ag),
| <ce>Ag^{+}(aq)\ \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Ag(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ 0.7991 V}</math>
|-
|[[팔라듐]] (Pd),
| <ce>Pd^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Pd(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ 0.915 V}</math>
|-
|[[이리듐]] (Ir),
| <ce>Ir^{3+}(aq)\ + 3 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Ir(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ 1.156 V}</math>
|-
|[[백금]] (Pt),
| <ce>Pt^{2+}(aq)\ + 2 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Pt(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ 1.188 V}</math>
|-
|금 (Au),
| <ce>Au^{3+}(aq)\ + 3 \mathit{e}^{-} \rightleftarrows\ Au(s)\ ,</ce>
| <math>E^\circ=\mbox{ 1.52 V}</math>
|}

[[탄탈럼]] 및 [[안티모니]] 등은 이온반지름이 작아서 전하가 크기 때문에, 수화이온은 매우 [[가수 분해|가수분해]]되기 쉽고, 강[[산 (화학)|산성]]에서도 안정하게 존재할 수 없기 때문에 [[산화물]]과의 전위에서 대용되고 있다. [[백금]] 및 [[금]] 같은 수화이온도 매우 가수분해되기 쉽고, 특히 금에 대해서는 순수한 수화이온은 존재하지 않기 때문에,<ref name="Cotton">{{서적 인용|author=F.A.コットン|coauthors=G.ウィルキンソン|translator=中原勝儼|title=無機化学 上|origyear=|edition=第4版|year=1987|publisher=[[培風館]]|isbn=4-563-04192-0|page=}}</ref> 정확한 값이라고는 할 수 없다.

== 이온화 경향의 문제점 ==
표준 산화환원전위, 깁스 자유 에너지를 바탕으로 두는 이온화 경향은, 이온의 상태를 이온 사이의 상호작용이 일어나지 않는 무한희석을 기준으로 하고 있기 때문에, 통상의 실험적 농도에서 반드시 이 순서가 유지된다고 한할 수 없고, 특히 전위에 접근해 있는 [[주석 (원소)|주석]]과 [[납]] 따위의 순서는 그다지 의미가 없다는 의견도 있다.<ref>{{저널 인용|author=渡辺正|year=1996|title=イオン化列は仮想の世界 : 電気化学(その 1)(教科書の記述を考える 1)|journal=化学と教育|volume=44|issue=9|pages=593-596|publisher=[[日本化学会]]|issn=0386-2151|doi=|naid=110001829821}}</ref> 그러므로, 여태까지 16종류 원소의 이온화 경향을 기술해온 대한민국 [[고등학교]] 화학 교과서도 현재 자세한 순서에 대한 언급을 피하고 (Li, K, Ca, Na) > Mg > (Al, Zn, Fe) > (Ni, Sn, Pb) > (H<sub>2</sub>, Cu) > (Hg, Ag) > (Pt, Au)라는 기술을 채택하고 있다.<ref>渡辺　正　ほか　『新版　化学I』　大日本図書</ref>

수용액 속에서 산(酸)과의 반응성의 관점에서는 [[이리듐]](Ir) 및 [[탄탈럼]](Ta)이 최소로 되지만, 산화환원전위에서는 반드시 그렇지만은 않다. 이것은 표면에 치밀한 산화피막을 생성한다는 [[부동태]] 형성되었거나, 속도론적인 관여가 무시되었기 때문이다.

더불어, 오래 전부터 문제시되었던 [[칼슘]]과 [[나트륨]]이 있는데, 논란이 된 것은 나트륨이 물과 보다 격하게 반응하는데도 불구하고 이온화 경향은 Ca > Na이라는 점이다. 금속에서 수용액 속의 수화이온으로의 변화를 고찰하려면, '''원자화'''→'''이온화'''→'''이온의 수화'''라는 과정을 고려하지 않으면 안된다. 칼슘 및 나트륨에서는 다음과 같이 된다.
{| class="wikitable" style="float: left; text-align: center;;"
!금속
!승화열 Δ''H''<sub>sub</sub>
!이온화 에너지 Δ''H''<sub>ion</sub>
!수화열 Δ''H''<sub>hyd</sub>
|-
| 반응식
| <ce>M(s) -> M(g)</ce>
| <ce>M(g) -> {M^{\mathit{n}+}(g)} + \mathit{n\  e}^-</ce>
| <ce>M^{\mathit{n}+}(g) -> M^{\mathit{n}+}(aq)</ce>
|-
|[[칼슘]]
|178.2 kJ mol<sup>-1</sup>
| 1747.7 kJ mol<sup>-1</sup>
| -1577 kJ mol<sup>-1</sup>
|-
|[[나트륨]]
|107.32 kJ mol<sup>-1</sup>
| 502.04 kJ mol<sup>-1</sup>
| -420.8 kJ mol<sup>-1</sup>
|}
{{-}}
위는 [[엔탈피]] 변화이며, 또한 수화열의 실측치는 양이온과 음이온과의 합계이며, 이들의 분할은 수화열이 ''z''<sup>2</sup>/''r ''(전하의 2승 / 이온반지름)에 비례한다는 가정을 바탕으로 한 것이기 때문에, 정밀성에 모자란 부분이 있으며, 수치 전체가 정확한 것이라고는 할 수 없으나, 정성(定性)적으로는 다음과 같이 말할 수 있다. 나트륨이 칼슘보다도 유리상태의 이온을 생성하기 쉽지만, 전하가 큰 칼륨이온은 수화열의 절대치(엔탈피 변화가 음에서 클수록 강하게 수화)가 크게 이온화 에너지를 지워없애고, 결과적으로 수화이온의 생성기브스자유에너지를 가라앉히고, 나트륨과 역전된다.

마찬가지로, [[알칼리 금속]] 간의 비교에서는 [[세슘]](Cs)이 반응성 상에서는 최대이지만, 이온반지름은 Cs<sup>+</sup> > Rb<sup>+</sup> > K<sup>+</sup> > Na<sup>+</sup> > Li<sup>+</sup>이며, 그러므로 [[리튬]]은 반응성이 최소임에도 불구하고, 이온반지름이 가장 작기 때문에 수화열의 절대치가 크기에, 결과적으로 전위가 가장 낮아진다.<ref>{{서적 인용|author=長島弘三|coauthors=佐野博敏・富田功|title=無機化学|year=1974|publisher=[[実教出版]]|series=実教理工学全書|id={{JPNO|69009146}}|isbn=|oclc=674244912|page=}}</ref> 위와 같이 이온화 경향은 반드시 반응성의 순서를 반영하고 있다고는 할 수 없는 부분이 있으며, 정성(定性)적인 논의에 쓰이는 것에 그치는 것이 바람직하다.

== 전지 ==
서로 다른 2종류의 금속과 [[전해액]]을 조합하면 [[전지]]가 만들어진다. 이 때, 이온화 경향이 큰 쪽 즉 산화환원전위가 보다 낮은 쪽의 그금속이 [[음극]]이 되고, 작은 쪽 즉 전위가 높은 쪽이 [[전극|양극]]이 된다. 또한, 두 금속의 이온화 경향의 차가 클수록, 전지의 [[기전력]](낼 수 있는 [[전압]])은 커진다.

이를테면, [[동]]과 [[아연]]을 쓰는 레몬 전지에서는, 아연이 음극이 되고, 동이 양극이 된다(전해액은 [[레몬]]의 과즙이다.). 

== 같이 보기 ==
* [[전기 음성도|전기음성도]]
* [[부식|희생 전극]]

== 각주 ==
{{각주}}

[[분류:이온]]
[[분류:화학 원소]]