금속의 반응성

[김동석]

 금속의 반응성                    

 

▶ 목표 

• 산화·환원 반응을 다른 화학 반응과 구별할 수 있다.
  
• 산화·환원 반응에서 산화제와 환원제를 구별할 수 있다.
  
• 금속의 반응성의 크기 순서를 매길 수 있다.
  
• 산화·환원 반응식을 쓸 수 있다.
  

▶ 준비물6∼8인 1개조의 분단별） 

·시험관(18×180mm) 9개	·시험관대 1개	·온도계(110℃) 3개	·핀셋 1개
·마그네슘 리본 조각 3개	·철 조각 3개	·구리 조각 3개	·사포(5×5㎝) 1장
·황산구리(1M) 100mL	·씻기병	·황산마그네슘(1M) 100mL	·묽은 질산(3M) 100mL
·황산철(1M) 100mL	·증류수

▶ 지도상의 유의점 

• 금속은 표면이 쉽게 산화되므로 실험하기 직전에 사포로 문질러 사용한다.
  
• 구리줄은 질산에 살짝 넣었다 꺼낸 후 흐르는 물에 씻어서 사용해도 좋다.
  
• 시험관 주둥이가 사람 쪽을 향하지 않게 한다.
  
• 온도는 수은 온도계로 측정하는 것이 정밀하나 깨지면 처리하기 어려우므로 50℃나 110℃의 알코올 온도계를 사용해도 좋다.
  
  

▶ 탐구활동 과정 

가. 금속의 상태


1. 마그네슘 리본, 철 조각, 구리판을 준비한다.
   
2. 마그네슘은 검은 녹, 철은 붉은 녹, 구리는 고동색의 피막으로 덮힌 경우가 많다. 사포로 문질러 마그네슘과 철은 밝은 회색, 구리는 밝은 붉은 색이 나오도록 한다.
   
3. 구리는 묽은 질산에 넣었다 꺼낸 다음 증류수로 씻어 사용해도 좋다. 철과 마그네슘은 묽은 황산으로 가능하다.

나. 금속과 금속 염의 반응


1. 시험관 3개에 실온인 염의 수용액을 1/2 정도 넣고 온도계를 장치한 후 용액의 색을 관찰하면 황산구리는 푸른 색, 황산마그네슘은 무색, 황산철은 연한 녹색이다. 실온과 용액의 온도가 같은 것을 확인한다.
   * 시험관을 손으로 잡지 않는다.
2. 마그네슘 리본의 반응
   ① 마그네슘 리본을 황산구리 용액에 넣으면 기체가 발생한다. 가수 분해하여 생긴 수소 이온이 마그네슘과 반응한다.
   

   CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄^2- … i)

   Cu²⁺ + 2H₂O → Cu(OH)₂ + 2H⁺ … ii)

   2H⁺ + Mg → Mg²⁺ + H₂ … iii)

   ii)의 반응은 평형 상수 값은 작으나 수소 기체가 발생하여 용액에서 제거되기 때문에 평 형 이동이 일어나서 계속해서 진행된다. 시간이 지나면 용액의 푸른색은 옅어지고 1℃ 정도의 온도 상승이 있다. 온도가 변한 것으로 보아 화학 변화가 있었음을 추정할 수 있 다. 금속은 얇아진다.
   또 마그네슘이 용액의 구리 이온과 직접 반응하여 마그네슘 이온이 된다.
   

   Cu²⁺ + Mg → Mg²⁺ + Cu …iv)

   
   ii)와 iv)에 의해 다음과 같이 된다.
   

   CuSO₄ + Mg → MgSO₄ + Cu

   ② 따라서 이 두 금속의 반응성을 비교하면 Mg > Cu 가 된다.
   ③ 황산마그네슘 용액에 마그네슘 리본을 넣으면 기체가 발생하고 온도 변화는 거의 없다.
   ① 에서 처럼 마그네슘 이온에 의해 생긴 수소 이온이 마그네슘을 산화시키고 수소 기체 가 되었다.
   ④ 황산철 수용액에서도 기체가 발생되며 1.5℃정도의 온도 상승이 있다. 노란 색의 침전이 생긴다.
   ⑤ 따라서 이 두 금속의 반응성을 비교하면 Mg > Fe가 된다.
   
   

3. 철 조각의 반응
   ① 철 조각을 황산구리 용액에 넣으면 붉은 구리 금속이 철 조각에 도금이 된다. 1.5℃정도 온도가 올라간다. 즉 철이 산화되고 구리 이온이 환원된다. 따라서 이 두 금속의 반응성을 비교하면 Fe > Cu가 된다.
   ② 황산마그네슘 용액에 넣으면 아무런 변화가 없다. 0.5℃ 온도가 상승한다.
   ③ 황산철 용액에 넣으면 아무런 변화가 없다. 온도는 변하지 않았다.
   
   
4. 구리판의 반응
   ① 구리판을 황산구리 용액에 넣으면 아무런 변화가 없다. 0.5℃ 온도가 상승한다.
   ② 황산마그네슘 용액에 넣으면 아무런 변화가 없다. 온도는 변하지 않았다.
   ③ 황산철 용액에 넣으면 아무런 변화가 없다. 온도는 변하지 않았다. 따라서 이 세 금속의 반응성을 비교하면 Mg > Cu, Fe > Cu가 된다.
   
   
5. 반응성이 큰 금속은 전자를 잃고서 이온이 되려는 성질이 강하기 때문에 용액의 이온을 환원시켜 석출되게 만든다. 따라서 석출되어 나오는 금속이 반응성이 약한 쪽이며 이 실험에서는 가수 분해에 의해서 생긴 수소 이온이 금속과 반응하여 수소 기체로 되는데 가수 분해와 산화·환원은 구별된다.
   
   

▶ 결과 정리 및 토의 

가. 금속의 겉모양




나. 금속 염의 수용액과 금속의 반응




다. 결과 정리

1. 화학 반응이 일어난 것은?
   a, b, c, f의 시험관에서 반응이 일어났다.
2. 변화가 생긴 반응을 화학 반응식으로 써보자.
   a, b, c의 기체는 수소가 발생한 것이며, b, c, f에서 치환의 산화·환원이 일어났다.
   

   a…Mg + 2H⁺ → Mg²⁺ + H₂

   b…Mg + 2H⁺ → Mg²⁺ + H₂

        FeSO₄ + Mg → MgSO₄ + Fe

   c…CuSO₄ + Mg → MgSO₄ + Cu

        Mg + 2H⁺ → Mg²⁺ + H₂

   f…CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu

3. 금속 반응성을 비교해 보자.
   Mg > Fe > Cu라고 할 수 있다.

라. 생각해 볼 점


금속의 반응성을 금속과 금속 염과의 반응에서 석출되는 금속의 종류로 판단 할 수 있다. 즉 반응성이 큰 금속이 산화되어 양이온이 되고 작은 쪽의 금속 이온은 환원되어 석출된다. 그러나 그 차이가 작을 경우에는 이런 실험으로 판정하기가 어렵다. 이 실험에 서의 방법 외에 비금속 원소와 반응시키거나 물과 반응시키거나 이온화에너지나 전극 전위 등으로도 나타낼 수 있다. 그러나 이들은 항상 같은 순서가 유지되는 것은 아닌데 그것은 반응시키는 방법과 환경이 다르기 때문이다.

▶ 평가 자료 

가. 탐구 활동 태도 평가


1. 깨끗한 금속을 반응시키는가?(A, B, C)
   
2. 금속을 핀셋으로 잡는가?(A, B, C)
   
3. 시험관 밑을 손으로 잡지 않는가?(A, B, C)

나. 실험 보고서 평가


1. 반응을 차이점 있게 기술하였는가?(A, B, C)
   
2. 용액의 변화를 차이점 있게 기술하였는가?(A, B, C)
   
3. 반응성을 비교할 적당한 방법을 제시하였는가?(A, B, C)