전해질 — 이온이 움직이면 전기가 통한다

투명한 컵에 담긴 소금물과 설탕물은 겉으로 보면 똑같이 맑습니다. 그런데 같은 회로에 두 컵을 차례로 연결하면, 소금물 쪽에서는 전류가 흐르고 설탕물 쪽에서는 흐르지 않습니다. 차이는 컵 안의 미시 모습에 있습니다. 오늘은 이 차이를 정리합니다.

지난 시간에 이온을 정식으로 다루었습니다. 원자가 바깥쪽 전자를 잃거나 얻어 전기를 띠게 된 입자입니다. 잃으면 양이온(Na⁺), 얻으면 음이온(Cl⁻). 소금(NaCl) 안에는 Na⁺와 Cl⁻이 한 쌍으로 있다는 것도 살펴보았습니다. 오늘은 이 이온들이 어디에서 자유롭게 움직일 수 있는지, 그리고 그 결과 무엇이 달라지는지를 봅니다.

두 컵의 차이 — 소금물 vs 설탕물#

소금이 물에 녹으면, 결정 안에 묶여 있던 Na⁺와 Cl⁻이 풀려납니다. 한 덩어리이던 소금이 두 갈래 이온으로 갈라지는 일을 이온화라고 합니다. Na⁺(양이온)와 Cl⁻(음이온)이 따로 떨어져 물 안을 자유롭게 떠다닙니다.

설탕도 물에 녹습니다. 그러나 설탕은 이온화하지 않습니다. 양이온도 음이온도 만들어지지 않고, 분자 그대로 잘게 흩어질 뿐입니다.

요약하면 다음과 같습니다.

• 전해질: 물에 녹아 이온으로 나누어져 전기를 통하게 하는 물질 (소금·식초·레몬즙·베이킹소다 푼 물)
• 비전해질: 물에 녹아도 이온으로 나누어지지 않는 물질 (설탕·알코올·증류수)

초등학교 5학년 때 만난 "녹는다 ≠ 사라진다"가 한 단계 깊어지는 자리입니다. 녹은 알갱이는 두 갈래로 나뉠 수 있습니다. 한 갈래는 이온이 되고(전해질), 다른 갈래는 분자 그대로 흩어집니다(비전해질).

왜 이온이 있어야 전류가 흐를까#

전류는 전하가 한 방향으로 이동하는 현상입니다. 금속 안에서는 자유 전자가 이 일을 합니다. 그런데 수용액에서는 자유 전자가 거의 없습니다. 대신 자유롭게 움직일 수 있는 이온이 전하를 옮깁니다.

소금물 안에서는 Na⁺와 Cl⁻이 자유롭게 흩어져 있습니다. 회로에 연결하면, 양이온 Na⁺는 음극(−극) 쪽으로, 음이온 Cl⁻은 양극(+극) 쪽으로 끌립니다. 반대 부호의 전하가 서로 당기는 셈입니다. 이렇게 이온이 두 극 사이를 오가는 일이 곧 수용액에서의 전류입니다.

설탕물 안에는 이온이 없습니다. 설탕 분자는 전하를 띠지 않아 두 극 어느 쪽으로도 끌리지 않습니다. 두 극 사이에 전하를 옮길 운반자가 없으니, 회로는 이어져 있어도 전류는 흐르지 않습니다.

수용액에서의 전류는 전자의 이동이 아니라 이온 자체의 이동입니다. 이 차이가 "함정 4"의 핵심입니다.

도체와 부도체 — 두 분류가 만나는 자리#

전기가 잘 통하는 물질을 도체, 잘 통하지 않는 물질을 부도체라고 합니다. 도체에는 두 갈래가 있습니다.

부도체에는 고무·플라스틱·유리, 그리고 설탕물과 증류수가 들어갑니다. 증류수는 순수한 물이라 이온이 거의 없어 전류가 통하지 않습니다.

전해질·비전해질과 도체·부도체는 묻는 질문이 다릅니다. 전해질·비전해질은 "물에 녹아 이온화하는가"를 묻고, 도체·부도체는 "전기가 통하는가"를 묻습니다. 두 분류는 다음 자리에서 자연스럽게 만납니다.

• 전해질이 녹은 물 = 이온 도체
• 비전해질이 녹은 물 = 부도체

어원 한 줄 — 이온·음극·양극이 같은 뿌리#

이온이라는 이름은 그리스어에서 왔습니다. 양이온을 뜻하는 cation은 "아래로 가는 것", 음극을 뜻하는 cathode와 같은 뿌리입니다. 음이온 anion은 "위로 가는 것", 양극 anode와 같은 뿌리입니다. 약 150년 전 패러데이가 지은 이름인데, 그 이름 안에 이미 "양이온이 가는 길은 음극"이라는 뜻이 담겨 있습니다.

볼타에서 아레니우스까지 84년이 걸려 만들어진 길을, 우리는 한 시간 안에 따라갑니다.

자주 혼동되는 네 가지#

전해질·비전해질에서 흔히 잘못 알려진 내용을 정리합니다.

안전 한 줄: 전류 실험은 어른 감독 아래에서, 9V 작은 건전지처럼 약한 전원만 씁니다. 가정용 220V 콘센트는 절대 사용하지 않습니다.