금속의 사용 시작
① 금, 구리, 철, 알루미늄의 순으로 사용되었다.
㉠ 석기 시대 : 금
㉡ 청동기 시대 : 구리
㉢ 철기 시대 : 철
㉣ 현대 : 알루미늄 등
② 매장량 순서와 다르고, 반응성(이온화 경향)이 작은 금속이 먼저 사용되었다. 반응성이 클수록 쉽게 산화되므로 환원시키기 어렵다.
알루미늄 > 철 > 구리 > 금
(2) 지각을 구성하는 금속들
① 지구상에 존재하는 원소의 75%는 금속이다.
② 지각을 구성하는 원소 중에서 산소와 규소가 약 75%를 차지한다.
산소 > 규소 > 알루미늄 > 철 > 칼슘 > 나트륨 > 칼륨 > 마그네슘
③ 산소가 가장 많은 이유는 대부분의 금속들이 산화물이나 염의 형태의 광석으로 존재하기 때문이다.
화학식 화학명 암석명
Fe2O3 산화철 적철석
Fe3O4 산화철 자철석
CaCO3 탄산칼슘 석회암
NaCl 염화나트륨 암염
Al2O3 산화알루미늄 루비, 사파이어
CaSO4 황산칼슘 석고
(3) 귀금속 금
① 사용 시작 시기를 정확히 알 수 없다.
㉠ 매장량은 매우 적지만, 반응성이 작아서 순수한 상태의 금을 얻기 쉽다.
㉡ 신석기 시대에 사용된 금 장신구들이 변하지 않고 보존되어 발견되고 있다.
② 금의 성질
㉠ 화학적으로 안정하고 특징적인 색을 띠고 있다.
㉡ 펴짐성(전성)과 뽑힘성(연성)이 우수하여 원하는 모양으로 쉽게 변형할 수 있다. 금박의 두께는 0.00001cm이고, 1g의 금으로 약 3000m의 금실을 뽑을 수 있다.
㉢ 열전도성이 뛰어나 전자 회로에 많이 사용된다.
㉣ 반응성이 작아 잘 변하지 않으므로 치과에서 의치로 사용된다.
㉤ 너무 무르기 때문에 다른 금속과 합금을 만들어 사용하기도 한다.
③ 금의 순도 : 캐럿(K)으로 표현하는데, 순금은 24K이다.
18K는 75%의 금을 포함하며, 14K는 50%의 금을 포함하고 있다.
(4) 구리의 발견과 그 이용
① 구리의 발견
㉠ 구리는 자연 금속으로도 발견되어 신석기 시대에 사용되기도 하였다.
㉡ B.C. 3500년경 이집트와 메소포타미아 지역에서 본격적으로 사용되었다.
㉢ 구리를 포함하는 광석은 녹색이나 파란색을 띤다. 구리 광석에서 구리를 추출하는 방법을 알게 되었을 때부터 금속을 제대로 이용하였다고 할 수 있다.
② 구리의 성질과 이용
㉠ 붉은 갈색을 띠는 금속으로 반응성이 크지 않아 쉽게 제련할 수 있다.
㉡ 물이나 산소와 반응하지 않고 전기 전도성이 커서 전선의 재료로 사용된다.
㉢ 뽑힘성이 뛰어나고 강하고 유연하여 전력 공급선으로 사용된다.
㉣ 열전도성이 뛰어나 조리 기구나 보일러 파이프로 사용된다.
③ 청동의 발견과 이용
㉠ 청동은 구리와 주석의 합금으로 녹색이 나고 단단한다.
㉡ 청동검, 거울, 도끼 등으로 사용되었으며, 이 시기가 청동기 시대이다.
(5) 단단한 금속 철
① 철의 발견
㉠ 철은 지각에 4.7% 존재하는 금속으로 금이나 구리보다 훨씬 늦게 사용되었으나 현재 가장 많이 사용되는 금속이다.
㉡ B.C. 2000년경에 철광석으로부터 철을 제련하여 사용하였다.
㉢ 청동 도구와 무기를 철로 바꾸어 사용한 시대가 철기 시대이다.
② 철의 제련
㉠ 철광석(자철석이나 적철석)을 코크스, 석회석과 함께 가열하여 녹인다.
㉡ 철광석으로부터 산소 원자가 분해되어 제거되고 철이 남게 된다.(선철)
㉢ 산소 원자는 탄소와 결합하여 이산화탄소 기체로 날아간다.
2Fe2O3 + 3C --> 4Fe + 3CO2
㉣ 선철에서 탄소 성분을 감소시킨 것을 강철(steel)이라고 한다.
㉤ 1톤의 철을 얻기 위해 약 1톤의 석탄이 소모되므로, 철 제품은 재활용하여야 한다.
③ 철의 성질과 이용
㉠ 철은 ‘산업의 쌀’이라고 부를 정도로 다양한 용도를 가지고 있다.
㉡ 밀도가 크고 단단하므로 각종 건축물의 재료나 주방 기구로 사용된다.
㉢ 산화철은 자성을 띠고 있기 때문에 컴퓨터 디스켓으로 사용된다.
㉣ 헤모글로빈의 구성 성분으로 산소를 운반하고, 호흡 작용에 촉매 역할을 한다.
㉤ 식물에서 광합성을 하는 엽록소를 만드는데 철이 필요하다.
(6) 가벼운 금속 알루미늄
① 알루미늄의 발견
㉠ 알루미늄은 금, 구리, 철에 비해 지작에 월등하게 많이 존재하지만, 철보다 3000년 후에서야 사용되기 시작하였다.
㉡ 산소와 강하게 결합되어 있으며 산소와 분리시키기가 어렵다.
㉢ 1886년 미국의 홀(Hall)과 프랑스의 에루(Herout)가 전기 분해의 방법으로 분리에 성공하였다.
② 알루미늄의 제련
㉠ 홀 법 : 산화알루미늄에 빙정석으로 첨가하여 용융시킨 후, 전기 분해하여 얻는다.
산화알루미늄의 녹는점은 2000℃ 이상인데, 빙정석을 첨가하면 1000℃로 내려간다.
㉡ (-)극에 알루미늄이 모이고 (+)극인 탄소 막대에서 이산화탄소가 발생한다.
㉢ 알루미늄 1톤을 생산하는 데는 강철 10톤을 생산하는 정도의 에너지가 필요하므로 알루미늄을 재활용하는 것은 더욱 중요하다.
③ 알루미늄의 성질과 이용
㉠ 현대는 ‘알루미늄 시대’라고 할 정도로 알루미늄의 용도는 넓다.
㉡ 알루미늄은 반응성이 매우 크지만 산소와 반응시켜 표면에 산화알루미늄의 피막을 만들면 안쪽의 알루미늄이 보호된다.
㉢ 음료수 깡통은 얇은 플라스틱 막으로 코팅하여 보호한다.
㉣ 가볍고 강하기 때문에 창문 섀시나 자동차 바퀴의 휠, 경주용 자전거에 사용된다.
금속 금 구리 철 알루미늄
밀도(g/㎤) 19.32 8.92 7.9 2.7
㉤ 마그네슘과의 합금인 두랄루민은 비행기의 동체로 이용된다.
(7) 그 밖의 중요한 금속들
① 백금 Pt
㉠ 각종 화학 반응의 촉매로 사용된다.
② 크롬 Cr
㉠ 다양한 합금 제조에 사용된다.
㉡ 스테인리스 스틸의 강도, 경도 및 내구성을 증가시킨다.
㉢ 열과 부식에 잘 견디는 초합금이 되므로, 항공기와 자동차의 핵심 부품이 된다.
③ 망간 Mn
㉠ 강철에 망간을 더하면 더 단단하고 내구성이 강하게 만든다.
㉡ 망간이 14% 포함된 강철은 금고, 전자석, 중기 제도의 성분이 된다.
㉢ 바다의 바닥에 야구공 크기의 망간 단괴로 존재한다. 망간 단괴에는 철, 구리, 니켈, 코발트 등의 많은 금속이 포함되어 있다.
③ 니켈 Ni
㉠ 스테인리스 스틸 등의 특수강 제조에 필수적인 금속이다.
㉡ 망간 단괴를 채굴하면 니켈 부족 문제를 해결할 수 있다.
알칼리금속
(1) 물리적 성질
① 은백색의 광택이 나며, 무르고 가벼운 금속이다.
② 녹는점과 끓는점이 다른 금속에 비해 아주 낮다.
③ 원자 번호가 클수록 녹는점과 끓는점이 낮아진다.
④ 전기를 잘 통하지만 화합물은 전기 전도성이 없다.
원자 번호 이름 원소 기호 녹는점(℃) 끓는점(℃) 밀도(g/㎤)
3 리튬 Li 181 1347 0.53
11 나트륨 Na 98 883 0.97
19 칼륨 K 64 774 0.86
37 루비듐 Rb 39 688 1.53
55 세슘 Cs 28 678 1.87
(2) 화학적 성질
① 반응성이 크다.
㉠ 이온화되어 +1의 양이온이 되기 쉽다. Na → Na+ + ꃻ
㉡ 자연 상태에서 화합물로 존재하므로 용융시킨 후 전기 분해하여 얻는다.(데이비)
㉢ 원자 번호가 클수록 반응성이 커진다. Li < Na < K < Rb < Cs
② 공기나 물과 빠르게 반응하므로 석유나 파라핀유에 넣어서 보관한다.
㉠ 공기 중에서 빠르게 산화된다.
4Na + O2 --> 2Na2O
㉡ 물과 폭발적으로 반응하여 수소 기체를 발생하고, 용액은 알칼리성을 띤다.
2Na + 2H2O --> 2NaOH + H2↑
- 나트륨 이온의 확인 : 불꽃 반응 ⇨ 노란색
- 염기성(수산화 이온) 확인 : 페놀프탈레인 ⇨ 붉은색
- 수소 기체 확인 : ‘펑’ 소리를 내면서 탄다.
③ 알칼리 금속의 확인
㉠ 불꽃 반응 실험 : 화합물의 수용액을 백금선에 묻혀 겉불꽃에 넣고 나타나는 불꽃색을 관찰한다.
㉡ 알칼리 금속은 독특한 불꽃색을 나타낸다.
Li : 빨간색, Na : 노란색, K : 보라색, Rb : 진한 빨간색, Cs : 파란색
(3) 알칼리 금속의 이용
① 리튬 : 항공기의 재료, 합금, 리튬 전지 등
② 나트륨 : 가로등, 광전지, 원자로의 냉각제, 조미료, 비누, 펄프, 유리 등
③ 칼륨 : 비료의 원료, 점화제 등
(1) 주기율의 발견
① 최초의 원소 분류 : 라부아지에가 33종의 원소를 4개 그룹으로 분류하였다.
② 세 쌍 원소설 : 되베라이너
㉠ 성질이 비슷한 원소가 세 개씩 쌍을 지어 존재한다.
㉡ 세 쌍 원소들의 원자량은 일정한 규칙성을 갖는다.
나트륨의 원자량(23)은 리튬(7)과 칼륨(39) 원자량의 평균값과 비슷하다.
③ 옥타브설 : 뉼랜즈
- 원소들을 질량 순서로 배열하면 여덟 번째마다 비슷한 성질의 원소가 나타난다.
④ 멘델레예프의 주기율
㉠ 원소들을 원자량 순서로 나열하면 성질이 비슷한 원소가 규칙적으로 나타난다.
㉡ 비슷한 원소가 나타나지 않는 자리는 빈칸으로 남겨 두었다.
㉢ 빈칸의 원소의 성질을 예측하고 이후 다른 과학자들이 발견할 수 있었다.
(2) 현대의 주기율표
① 원소들을 원자 번호가 커지는 순서대로 나열한다.
② 성질이 비슷한 원소를 같은 세로 줄에 배열한다.
③ 주기율표의 가로줄을 주기(period)라하고, 세로줄을 족(group)이라고 한다.
④ 1주기~7주기가 있고, 1족~18족이 있다. 마지막 주기는 완성되지 않았다.
⑤ 1족을 알칼리 금속, 17족을 할로겐 원소, 18족을 비활성 기체라고 한다.
(3) 할로겐 원소
① 물리적 성질
㉠ 상온에서 플루오르와 염소는 기체이고, 브롬은 액체이며, 요오드는 고체이다.
㉡ 원자 번호가 클수록 녹는점, 끓는점이 높아지고 색깔이 진해진다.
원자 번호 이름 원소 기호 녹는점(℃) 끓는점(℃) 색깔
9 플루오르 F -219 -188 연노란색
17 염소 Cl -101 -34 연두색
35 브롬 Br -7 59 적갈색
53 요오드 I 114 184 흑보라색
② 화학적 성질
㉠ 2원자 분자로 존재한다. (F2, Cl2, Br2, I2)
㉡ -1의 음이온이 되려는 경향이 강하다.
X + ꃻ --> X- (X : 할로겐 원소)
㉢ 비금속 중 반응성이 가장 큰 원소이다. 원자 번호가 클수록 반응성이 작아진다.
반응성의 세기 : F2 > Cl2> Br2 > I2
㉣ 알칼리 금속과 쉽게 반응하여 염을 만든다.
2Na + Cl2 --> 2NaCl
㉤ 수소 기체와 반응한 할로겐화수소는 물에 녹아 산성을 나타낸다.
H2 + X2 --> 2HX
할로겐 원소 수소와의 반응 수소화물 수용액의 액성
F 어두운 곳에서도 폭발적으로 반응 HF 약한 산성
Cl 상온에서 빛에 의해 폭발적으로 반응 HCl 강한 산성
Br 고온에서 느리게 반응 HBr 더 강한 산성
I 촉매와 함께 가열하면 느리게 반응 HI 가장 강한 산성
③ 할로겐 분자와 할로겐 화합물의 반응 : 반응성이 큰 할로겐은 화합물로 되고 반응성이 작은 할로겐은 산화된다.
Cl2 + NaF --> 반응이 일어나지 않는다. (반응성 : F > Cl)
Cl2 + 2NaBr --> 2NaCl + Br2 (반응성 : Cl > Br)
④ 할로겐의 검출 : 은 이온과의 앙금 반응으로 검출한다.
AgCl(흰색 앙금), AgBr(연노란색 앙금), AgI(노란색 앙금)
(4) 할로겐 원소의 성질과 이용
① 플루오르
㉠ 충치 예방을 위한 구강 세정제, 수돗물에 첨가.
㉡ 테플론은 프라이팬의 코팅제로 사용된다.
② 염소
㉠ 공기보다 무겁고 유독성이 강한 황록색 기체
㉡ 물과 반응하여 산화력이 강한 하이포아염소산을 만들므로, 수돗물의 소독이나 표백제로 이용한다.
Cl2 + H2O --> HCl + HOCl
③ 브롬
㉠ 비금속 중에서 유일한 적갈색 액체로 독성이 강하고 악취가 난다.
㉡ AgBr은 감광성이 있어 필름에 사용된다.
④ 요오드
㉠ 승화성이 있는 검은 보라색 고체로 증기는 유독하다.
㉡ 요오드 소독약 : KI 수용액에 알코올과 I2를 녹여 만든다.
㉢ 녹말의 검출 : 녹말과 반응하여 보라색으로 변한다.
(1) 금속의 일반적인 성질
① 열 전도성과 전기 전도성
㉠ 은(Ag)이 가장 전기를 잘 통하는 금속이다.
㉡ 구리(Cu)는 전기를 잘 통하고 비교적 값이 저렴하므로 전선에 이용된다.
금속 Ag Cu Al Fe Pb Hg
상대적 전기 전도도 100 97 61 16 8 2
② 연성과 전성
㉠ 연성(뽑힘성) : 늘어나는 성질이 있어서 가는 선으로 만들 수 있다.
㉡ 전성(펴짐성) : 두드리면 넓게 펴지는 성질이 있어서 얇은 판으로 만들 수 있다.
③ 금속 광택 : 빛이 금속 표면에 닿으면 반사하므로 광택이 난다.
(2) 금속 결합
① 전자 바다 모형
㉠ 금속은 양이온과 자유 전자로 구성되어 있다.
㉡ 자유 전자는 어느 한 원자에 구속되지 않고 자유롭게 움직여 다닌다.
② 전자 바다 모형과 금속의 성질
㉠ 열 전도성과 전기 전도성은 전자의 유동성에 의한 것이다.
㉡ 금속이 은백색 광택을 갖는 것은 전자들이 빛을 반사하기 때문이다.
㉢ 결합에 특정한 방향성이 없기 때문에 충격을 받으면 쉽게 옆으로 밀려날 수 있고, 자유 전자는 즉시 재배열되므로 전성과 연성이 나타난다.
(1) 금속의 반응성 비교
① 반응성이 큰 금속일수록 공기, 물, 묽은 산과 반응을 더 활발하게 한다.
② 수소보다 반응성이 큰 금속은 묽은 산과 반응하여 수소 기체를 발생한다.
<--------반응성(이온화 경향)이 커진다.
금속 K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
공기와 반응 빠르게 반응 | 서서히 녹슴 |거의 반응 안함
물과 반응 찬물 |더운물|고온 수증기| 반응 안함
묽은 산과 반응 폭발적 반응 | 쉽게 반응 | 서서히 반응 | 반응 안함
(2) 금속의 산화와 환원
① 산화 : 금속이 전자를 잃어 양이온으로 변하는 반응 Zn → Zn2+ + 2ꃻ
② 환원 : 금속 이온이 전자를 얻어 금속으로 돌아오는 반응 Cu2+ + 2ꃻ → Cu
산소 수소 전자 산화수
산화 얻음 잃음 잃음 증가
환원 잃음 얻음 얻음 감소
③ 산화와 환원은 항상 동시에 일어난다.
산화 환원
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu CuO + H2 → Cu + H2O
(3) 금속끼리의 경쟁
① 질산은 용액에 구리를 넣으면 은이 석출되면서 구리는 녹는다.
2Ag+ + 2NO3- + Cu → 2Ag↓ + Cu2+ + 2NO3-
㉠ 구리는 전자를 잃고 구리 이온으로 변하며, 은 이온은 전자를 얻어 석출된다.
Cu → Cu2+ + 2ꃻ ; 산화
Ag+ + ꃻ → Ag↓ ; 환원
전체 반응 Cu + 2Ag+ → Cu2+ + 2Ag↓
㉡ 구리의 반응성이 은의 반응성보다 크다.
② 질산아연 용액에 구리를 넣으면 반응이 일어나지 않는다.
Zn2+ + 2NO3- + Cu → 반응이 일어나지 않음
㉠ 아연 이온이 구리에게서 전자를 얻을 수 없다.
㉡ 아연의 반응성이 구리의 반응성보다 크다.
③ 금속은 반응성이 클수록 양이온이 되기 쉽고 반응성이 작을수록 금속으로 석출되기 쉽다.
(1) 철이 녹스는 조건
① 공기 중의 산소와 물에 의해 녹슨다.
② 전해질 용액과 접촉할 때 더 빨리 녹슨다.
㉠ 철은 산화되어 Fe3+이 되며 산소는 환원되어 OH-이 된다.
Fe → Fe2+ + 2e- ; 산화, O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- ; 환원
㉡ 철 이온과 수산화 이온이 결합하여 만들어진 산화철이 녹이다.
2Fe3+ + 6OH- → Fe2O3・3H2O(녹)
㉢ 물에 이온이 녹아 있으면 전자의 이동이 쉬어지므로 더 빨리 녹슨다.
(2) 철이 녹스는 것을 방지하는 방법
① 물과 산소의 접촉을 차단한다.
㉠ 표면에 페인트, 기름, 에나멜 등을 칠한다.
㉡ 실리카겔, 탈산소제 등으로 물과 산소를 제거한다.
㉢ 철보다 반응성이 작은 주석, 은, 금 등의 금속으로 도금한다.
예) 양철 : 주석을 도금한 깡통은 흠집이 나면 철이 더 빨리 녹슨다.
② 음극화 보호(희생적 부식)
㉠ 철보다 반응성이 큰 아연이나 마그네슘으로 연결한다.
예) 지하 탱크, 매설 파이프 라인, 선박 등
㉡ 철보다 먼저 부식되어 철에 전자를 제공하므로 보호된다.
㉢ 함석 : 아연을 도금하면 흠집이 나도 철의 녹을 막을 수 있다.
③ 합금 : 스테인리스 스틸은 철에 크롬, 니켈 등을 섞어 부식을 방지한다.
(3) 합금
① 두 가지 이상의 금속이 섞여 있는 혼합물로서 두 금속의 장점을 취한다.
② 형상 기억 합금
㉠ 모양이 변형되어도 특정 온도에 이르면 원형으로 돌아간다.
㉡ 달 안테나, 안경테, 치아교정기, 속옷, 와이셔츠 등에 사용된다.
③ 초전도 합금
㉠ 초전도 현상 : 전기 저항이 0이 되는 현상
㉡ 고온 초전도체 : 이트륨, 바륨, 구리 등이 포함된 세라믹으로 -169℃ 정도에서 초전도 현상을 보이는 물질이 만들어졌다.
㉢ 자기 부상 열차용 전자석, 에너지 손실 없는 송전선 등에 사용된다.
④ 수소 저장 합금
㉠ 합금 자체의 부피보다 훨씬 많은 부피의 수소 기체를 저장할 수 있다.
㉡ 우주 왕복선, 전기 자동차, 냉・난방기에 사용한다.
(1) 납
① 납의 독성
㉠ 근육 조직이나 뼈에 쌓여 중추 신경계에 영향을 미친다.
㉡ 중독되면 중추 신경 장애, 지능 저하, 혼수 상태, 사망에까지 이른다.
② 섭취와 배출
㉠ 식품, 음료, 수돗물, 공기 등을 통해 섭취된다.
㉡ 신장이나 장을 통해 하루 2mg 정도 배출된다.
③ 납이 포함된 물질 : 페인트, 안료 건조제, 장난감, 수도관 등
④ 대책
㉠ 어린이가 장난감을 빨지 않도록 하고, Em거운 수돗물을 식수로 사용하지 않는다.
㉡ 납 중독 치료에는 EDTA를 복용한다.
㉢ 납이 들어 있는 휘발유를 무연 휘발유로 바꾼다.
(2) 수은
① 수은의 독성
㉠ 체내에 들어오면 쌓여서 만성 중독 증상을 일으킨다.
㉡ 주로 중추 신경계에 작용하여 신경 마비, 뇌 기능 손상, 근육 이완, 혼수 상태, 청각 장애, 시력 감퇴 등을 일으킨다.
㉢ 미나마타병 : 미나마타만의 합성 수지 공장의 폐수가 원인이었다.
② 수은이 포함된 물질 : 체온계, 전지, 형광등, 치과용 아말감 등
④ 대책
㉠ 형광등과 같이 수은이 포함된 용품을 함부로 버리지 않고 반드시 분리 수거한다.
㉡ 수은이 포함된 전지를 수은이 없는 것으로 대체한다.
(3) 비소
① 비소의 독성
㉠ 금속이 아니지만 중금속과 비슷한 독성 작용을 한다.
㉡ 비소보다 비소의 화합물은 치명적인 독성을 띤다.
㉢ 급성 중독되면 구토와 설사, 심장 마비가 일어나 사망할 수 있다.
③ 비소가 포함된 물질 : 비상, 공장 폐수, 유독 가스, 폐광의 침출수, 농약, 살충제 등
(4) 카드뮴
① 카드뮴의 독성
㉠ 신장 결석과 위장병을 일으키며, 뼈를 약하게 만들고 심한 통증을 유발한다.
㉡ 이타이이타이병 : 아연, 구리, 카드뮴 광산의 폐수가 원인이었다.
② 카드뮴은 화석 연료의 연소나 쓰레기를 소각할 때 공기 중에 방출된다.
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김준성
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08.01.21 14:04
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