이온 — 전자를 잃거나 얻은 원자

소금 한 알 안에는 사실 두 입자가 한 쌍으로 들어 있다. 전기를 띤 나트륨과 전기를 띤 염소. 원자가 어떻게 전기를 띠게 되었는지, 그 구조를 들여다봅니다.

지난 시간에 물질을 원소·화합물·혼합물로 나눴고, 끝에 한 질문이 남았다. "원자가 일정한 비로 결합할 때, 그 원자들은 전기적으로 어떻게 행동할까?" 이번 글에서 그 답을 정리합니다.

원자 안의 전자#

원자는 전체적으로 전기를 띠지 않는 입자다. 그런데 자세히 보면 원자 안에는 가운데에 자리 잡은 한 덩어리와, 그 바깥쪽을 도는 아주 작은 입자가 있습니다. 바깥쪽의 작은 입자가 전자이고, 전자는 음(-) 전기를 띱니다.

가운데 덩어리는 양(+) 전기를 띱니다. 가운데의 양 전기와 바깥쪽 전자의 음 전기가 같은 양으로 있어, 원자 전체로는 전기를 띠지 않은 상태가 됩니다.

원자가 전체적으로 전기를 띠지 않는다는 말은, 양과 음의 수가 같다는 뜻이다. 가운데 덩어리의 더 자세한 구조(양성자·중성자·핵)는 고1에서 다시 만납니다.

이온 — 전자가 들고 나면#

원자가 바깥쪽 전자를 잃거나 얻으면 어떤 일이 생길까요? 양과 음의 균형이 깨지면서 원자가 전기를 띠게 됩니다. 이렇게 전자를 잃거나 얻어 전기를 띠게 된 입자를 이온이라고 합니다.

• 이온: 원자가 전자를 잃거나 얻어 전기를 띠게 된 입자
• 양이온: 전자를 잃어 양(+) 전기를 띠게 된 이온
• 음이온: 전자를 얻어 음(-) 전기를 띠게 된 이온

원자가 바깥쪽 전자를 1개 잃으면, 음 전기가 1개 줄어들고 양 전기가 1개 더 남습니다. 그래서 원자가 양(+) 전기를 띠게 되고, 이것이 양이온입니다. 반대로 전자를 1개 얻으면 음 전기가 1개 더 많아져서 음이온이 됩니다.

여기서 중요한 점이 있다. 가운데 덩어리는 그대로이고, 바뀌는 것은 바깥쪽 전자뿐이라는 것이다. 그래서 이온이 되어도 원소 자체는 변하지 않습니다.

Na⁺와 Cl⁻ — 이온 표기#

이온은 원소 기호 옆에 작은 +기호나 -기호를 위첨자로 적어 나타냅니다. 나트륨과 염소를 예로 보면 전하 표기의 의미가 분명해진다.

나트륨 Na 원자는 바깥쪽에 전자 11개를 가지고 있고, 가운데 덩어리의 양 전기도 11이다. 양 11과 음 11이 같아서 원자 전체로는 전기를 띠지 않습니다. 이 원자가 바깥쪽 전자 1개를 잃으면, 음이 10개로 줄고 양은 그대로 11이 남는다. 그래서 양 1개가 더 많아져서 나트륨 이온 Na⁺가 됩니다.

염소 Cl 원자는 바깥쪽에 전자 17개를 가지고 있다. 이 원자가 전자 1개를 얻으면 음이 18개로 늘고, 양은 그대로 17. 음 1개가 더 많아져서 염화 이온 Cl⁻이 됩니다.

여기서 한 가지 주의할 점이 있다. Na⁺는 더 이상 나트륨 원자가 아니라 나트륨 이온이다. 이름이 비슷해 보여도 전자 수가 다르고 전기를 띠는지 여부도 다릅니다. 본문에서 Na⁺는 항상 "나트륨 이온"으로 부릅니다.

전자를 2개 잃거나 얻는 원자도 있다. 그러면 표기도 따라 변해서 Mg²⁺나 O²⁻처럼 숫자가 부호 앞에 붙습니다. 부호의 수는 양과 음의 차이로 결정됩니다.

NaCl — 양이온과 음이온이 만나면#

지난 시간에 만난 소금 NaCl을 다시 보겠습니다. 소금 안에는 사실 Na⁺와 Cl⁻이 한 쌍으로 들어 있습니다. 나트륨 원자가 전자 1개를 잃고, 염소 원자가 그 전자를 받습니다. 그 결과 나트륨 이온(Na⁺)과 염화 이온(Cl⁻)이 만들어지고, 두 이온이 한 쌍으로 결합한 것이 NaCl이다.

같은 알갱이를 두 시각으로 볼 수 있다. 지난 시간의 시각으로는 "나트륨과 염소가 일정한 비로 결합한 화합물"이고, 이번 시간의 시각으로는 "나트륨 이온과 염화 이온이 한 쌍으로 결합한 입자"이다. 두 설명이 같은 물질을 가리킵니다.

일상에서 자주 만나는 이온 몇 가지를 정리하면 다음과 같습니다.

짠맛, 신경 활동, 뼈와 근육 — 우리 몸 안에서 일어나는 많은 일이 이온의 작용입니다.

모든 원자가 이온이 되는 것은 아닙니다#

원자가 전자를 잃거나 얻을 수 있다고 해서, 모든 원자가 쉽게 이온이 되는 것은 아니다. 18족의 비활성 기체(He·Ne·Ar·Kr 등)는 이미 안정한 상태라서 이온이 잘 되지 않습니다. 자세한 까닭은 중3의 옥텟 규칙에서 다룹니다.

이온 표기에서 한 가지 짚어 둘 점이 있다. 양이온은 전자를 잃은 이온이지 얻은 이온이 아니다. 양(+)이라는 부호는 양 전기가 더 남았다는 뜻이다. 전하의 부호는 양전하와 음전하의 차이를 나타낸다. 전자를 잃으면 양전하가 상대적으로 남아 양이온이 되고, 전자를 얻으면 음전하가 상대적으로 많아져 음이온이 됩니다.

이온이 물에 녹아 자유롭게 움직일 때 어떤 일이 생기는지 — 소금물이 전기를 통하는 까닭으로 자연스럽게 이어진다. 전해질의 개념이 다음 단계의 주제다.