■ 교사용 실험 자료실 ■

실험 제목	도금과 합금			실험 원리	도금, 합금, 이온화경향(반응성)
실험 시간	30~40분	실험 분야	화학	실험 방법	4인 1조, 12인용
세트구성물	구리모양판, 볼체인고리, 수산화나트륨용액, 아연가루, 나무스틱
교사준비물	가열세트(알코올램프 또는 핫플레이트), 유리비커(또는 증발접시)2개, 핀셋(개별 또는 조별-긴 것이 좋습니다.) 면장갑(가열용), 마스크와 보안경 가능하면 투명코팅스프레이, 투명매니큐어			학생준비물	휴지 마스크와 보안경, 면장갑
실험 결과	아연 도금, 황동 합금한 모양판 각 1개씩 가지고 갑니다.
실험팁	실험세트에 구성된 수산화나트륨용액은 약20%의 진한용액으로 강염기성을 띱니다. 피부에 닿지 않도록 주의하시고, 취급에 주의하시기 바랍니다. 피부에 닿은 경우 즉시 흐르는 물로 씻어내시면 됩니다. TIP 1. 가열 시 화재 및 화상에 주의하세요. TIP 2. 용액 가열 시 자극적인 기체가 발생합니다. 가능하면 마스크와 보안경, 면장갑을 착용하도록 지도하세요. TIP 3. 비커는 200ml 용량이 적당하며, 증발접시인 경우 큰 사이즈가, 핀셋은 길수록 좋습니다. TIP 3. 가열 후에는 즉시 물에 담가 묻은 용액을 씻어내고, 완전히 식은 후에 만지도록 지도하세요. TIP 4. 아연도금 후 물에 씻지 않은 상태에서 책상바닥이나 신문지, 종이 등에 올려놓으면 색이 변할 수 있습니다. 주의하세요. TIP 5. 잘 된 결과물도 시간이 지나면 산화되어 색이 변하므로 투명코팅스프레이나 투명매니큐어 등을 칠하여 표면을 보호하면 좋겠습니다. TIP 6. 여분의 구리 모양판을 대조군으로 두어 색 비교에 활용하여주세요. 학생들은 구리판의 색과 황동의 색을 혼돈할 수 있습니다. 구리판은 공기와 접촉하면 산화되므로 밀폐하여 보관하세요. TIP 7. 실험이 끝난 후, 남은 용액과 용액과 덩어리는 비커에 물을 더 붓고 그대로 두어 스스로 산화가 끝날 때까지(열이 완전히 식을 때까지) 충분히 기다렸다가 덩어리는 비닐로 싸서 쓰레기통에 버립니다. 그리고 용액은 폐수통에 버립니다.

‘도금’과 ‘합금’은 어떻게 다른가요?

도금은 금속표면에 또 다른 금속을 입히는 것을 말하며, 합금은 두 가지 이상의 금속 또는 물질이 녹았다가 합하여져(용융) 새로운 성질의 금속이 생긴 것을 말합니다.

1. 도금이나 합금을 하는 이유는 무엇일까요?

원 재료 금속의 성질이나 외관을 개선하기 위해서 주로 실시합니다. 예를 들면 쇠못에 철보다 조밀하여 아연을 도금하여 철의 부식을 막는다거나, 구리와 아연을 합금(황동, Brass)하여 무른 금속의 경도를 높이고 외관(색상과 광택)을 좋게 하기 위하여 하기도 합니다. 구리와 주석을 합금(청동, Bronze)한 것은 기원전부터 사용해온 인류의 지혜입니다.

2. 오늘 실험에서 구리판에 아연이 도금된 원리를 간단히 설명하여 봅시다.

구리와 아연의 반응성(이온화경향)을 비교하면 아연의 반응성이 큽니다. 아연이온이 들어있는 용액에 구리판을 넣으면 반응성이 큰 아연이 구리판 표면의 구리를 밀어내고(산화) 대신 석출(환원)되게 되므로 구리판표면이 은색(아연색)으로 바뀌게 되는 것입니다.

처음 동전을 아연가루와 수산화나트륨 용액에 넣고 가열하면 아연과 수산화나트륨이 반응해서 아연이 산화된다. 이때 산화되는 아연 대신에 수소기체가 발생한다. 이 과정에서 구리동전 표면에 아연이 코팅돼 구리가 은색으로 변하게 된다. 은색으로 된 구리동전을 불에 넣고 잠깐 가열하면 아연과 구리가 녹아 합쳐져 새로운 합금인 황동을 만들어내 반짝이는 금빛으로 빛나게 된다. 황동은 구리가 60~82%，아연이 18~40% 정도 섞여 만들어진 합금으로 아연이 어느 정도 포함되었느냐에 따라 금빛을 내는 정도가 달라진다．

중세에는 연금술사들이 값싼 금속에서 금을 만들어내려고 많은 시간과 노력을 기울였다고 한다．그 결과 금은 만들어내지 못했지만 증류기와 같은 실험기구들이 제작됐고 많은 화학약품도 이때 만들어졌다．

도금 [鍍金, plating]

물건의 표면 상태를 개선할 목적으로 다른 물질의 얇은 층으로 피복하는 일인데 일반적으로 금속 표면에 다른 금속 또는 합금의 얇은 층을 입히는 것을 말한다. 오늘날 보통 도금이라고 하면, 전기도금을 가리킨다.

일반적으로 금속 표면에 다른 금속 또는 합금의 얇은 층을 입히는 것을 말한다. 다른 금속의 얇은 판을 표면에 포개서 함께 압연하고, 표피에 다른 금속을 맞붙이는 것은 합판(合板:clad)이라 하며, 도금이라고는 하지 않는다. 도금은 서양에서는 로마시대, 동양에서는 중국의 전한(前漢)시대부터 시작되었다. 한국에서는 삼국시대에 중국으로부터 기술이 전해져 불상에 도금이 이용되었다. 이 시대에 한국을 통해 일본에도 기술이 전달되었다. 고대의 도금은 아말감을 칠하고 수은을 증발시키는 방법, 박(箔:foil)을 고열로 고착시키는 방법 등으로 금도금에 한정되었다.

오늘날 일반적으로 도금이라고 하면, 전기도금을 말하는 경우가 많다. 장식적인 면, 부패 방지 및 내마모성, 접촉저항의 개선 등을 위해 하고 있다. 도금방법·용도에 따라 다소 차이가 있지만, 전기도금의 일반적인 공정은 탈수(脫銹) → 연마 → 탈지(脫脂) → 화학적 침지처리(浸漬處理) → 전기도금 → 후처리 → 건조의 순서이다.

도금을 개선하는 목적에 따라 분류하면 ① 방식(防蝕):원재료의 내식성 부족을 보완하고자 특정한 환경 속에서도 견딜 수 있는 금속을 입히는 것으로, 얇은 철판에 주석을 입히는 것(합석 등)이다. ② 표면경화:마모에 견딜 수 있도록 소재보다 단단한 금속의 얇은 층을 붙이는 것으로, 구리합금 제품의 크로뮴도금이 대표적이다. ③ 표면의 미화(美化):귀금속 또는 색채가 아름다운 금속합금의 얇은 층을 물건의 표면에 붙여서 아름답게 보이도록 한 것으로, 장신구의 금도금이 일반적인 예이다. ④ 표면의 평활화(平滑化) 또는 빛 등의 반사율 개선:반사율이 높다든지 또는 매우 평활하고 광택이 좋은 금속의 얇은 층을 붙이는 것이다. 후에 표면연마 또는 광택유지를 위하여 화학처리를 하여 한층 더 그 특성을 향상시키는 경우도 있다. 예를 들면, 전열기구에서 열의 반사경의 크로뮴도금 등이다.

합금 [合金, alloy]

금속에 이것과 다른 원소를 한 가지 이상 첨가하여 얻은 것으로 금속의 성질을 가지는 것이다. 첨가하는 원소는 꼭 금속원소일 필요는 없으며, 그 목적에 따라 베이스인 금속 특색을 살리고 이것을 개량하는 것과 베이스인 금속 결정을 보완하여 그것을 개량하는 것으로 구별된다.

첨가하는 원소는 꼭 금속원소일 필요는 없고 탄소·황과 같은 비금속원소 또는 수소·산소와 같은 기체인 원소도 좋다. A금속에 다른 원소 B를 첨가했을 때 서로 완전히 녹아서 혼합하지 않고, A는 순(純) A, B는 순 B로 전혀 별개의 것이 되는 경우도 있으나, 보통은 어느 정도까지 A의 결정 속에 B가 녹아 들어가서 고체이면서 용액과 같은 고용체(固溶體)를 만든다. 이처럼 고용되는 정도는 A와 B의 원자가 지니는 성질의 차이가 클수록 작아지나, 이 한도를 넘으면 A와 B의 원소가 어떤 비율로 혼합되어 이루어진 별개의 결정형인 고체로 되는 일이 많다. 이 경우, 이 새로운 고체의 결정 속에서의 A, B 두 원자의 비율은 m:n처럼 일정한 경우가 많은데, 이러한 것을 금속간화합물 AmBn이라고 한다. 그러나 이 화합물은 보통 화학에서 배운 화합물과는 다르므로, m, n의 값은 그 원소의 원자가(原子價)와 관계가 없다.

합금을 만드는 목적은 크게 두 가지로 구별할 수 있는데, 하나는 베이스인 금속 특색을 살리고 이것을 개량하기 위한 것이며, 다른 하나는 베이스인 금속 결정을 보완하여 그것을 개량하고자 하는 것이다. 구리의 뛰어난 전기전도도와 내식성을 살리고 강도를 향상시킨 고력고전도합금(高力高電導合金)인 저베릴륨구리, 알루미늄의 가벼운 장점을 살리고 강도를 크게 향상시켜 항공기체 재료로 적합하게 한 두랄루민은 전자(前者)의 예이고, 철에 크로뮴·니켈을 가하여 철의 부식하기 쉬운 결점을 제거하고 강도를 향상시켜 염가(廉價)라는 특색을 살린 스테인리스강은 후자(後者)의 예이다.

합금을 만드는 가장 간단한 방법은 성분금속을 혼합하여 도가니에 넣고 녹이면 되지만, 이 방법으로는 균일한 합금을 만들기가 어려운데, 두 합금의 끓는점이 크게 다를 때는 끓는점이 낮은 금속 쪽이 많이 휘산(揮散)하여 원하는 성분으로 되지 않거나, 비중의 차이가 클 때는 무거운 원소가 도가니 밑바닥에 가라앉아 균일하게 되지 않는다. 또 한쪽 금속이 너무 활성이기 때문에 대기 중에서 용해하면 연소하여 대부분이 산화물로 되는 등 여러 문제가 생긴다. 그러므로 이러한 점을 고려하여 바라던 양만큼 원소 또는 금속이 정확히 포함되고 또한 성분이 균일한 합금을 만들기 위해서는 기술이 필요하며, 이것이 합급 제조기술의 중요한 부분으로 되었다.

아연도금

아연도금은 아연(Zn)과 철이 조합되어 아연은 부식되고 (즉,희생 도금)철은 방식(防蝕) 되는 성질을 이용하여 철강의 부식을 방지할 목적으로 발달하였다. 아연은 우리나라에서 현재 자급할 수 있는 유일한 금속이며, 최근 아연도금의 사용이 크게 확대된 것은 극히 당연한 것이다. 또한 아연도금의 용도가 확대된 원인중의 하나는 아연도금 자체의 내식성을 향상시킬 목적으로 도금 후에 크로메이트(CHROMATE)처리를 추가적으로 실시하는데, 이로써 아연 자체의 내식성은 더욱 증가되고 아울러 외관의 아름다움(광택)을 향상시켜 장식용이나 도장하지용으로 사용된다. 아연도금 방법에는 전기도금, 세라다이징(확산침투), 용융도금, 용사 등이 있으나 순수한 아연을 도금하는 점에서 전기도금이 우수하다.

<전기화학적 성질>

아연의 전위는 -0.76Ⅴ, 철은 -0.44Ⅴ로서 아연은 양극이 되어 부식되고, 철은 음극으로 되어 방식되는  효과, 즉 희생피막의 역할을 한다. 철이 부식 환경에서 표면에 아연이 있으면, 우선 아연이 철대신 산화하면서 철이 부식되는 것을 방지해준다. 아연은 철 대신 녹이 슬며 아연 도금 중에 핀 홀(PIN HOLE)이 있어도 철을 보호해(크롬도금의 경우와 반대)주는데, 이때 아연자신은 산화아연, 탄산아연, 염기성아연의 흰 가루(백색부식물)가 되어 소모된다.

<가공성>

모오스 경도 2.5로서 순철의 4.5배에 비교하여 약간 무르지만 상온에서는 취약하고, 도금후의 굴곡가공에는 다소 문제가 있다. 단, 100∼115℃에서 전연성이 증대하여 대단히 가공성이 좋게 되나, 200℃이상에서 다시 취약하게 되는 성질이 있다.

황동 [黃銅, brass]

구리에 아연을 가하여 만든 합금으로 놋쇠라고도 하는데 청동과 함께 중요한 구리합금으로, 황동이 인공적으로 제조된 것은 1520년경 아연원소가 발견된 후부터이다. 자연합금의 형태로는 고대 그리스 때부터 인류와 친근했으며, 비철금속 중 가장 일상생활과 관계가 깊다. 고체의 구리 속에 아연이 녹아들어가는 범위(약 35%까지)의 것을 α황동이라고 하는데, 아연의 양이 많아짐에 따라 경도(硬度)와 강도가 증가하고, 합금의 색도 구리의 붉은기가 도는 색에서 황색에 접근해 간다.

놋쇠라고도 한다. 청동과 함께 중요한 구리합금으로, 황동이 인공적으로 제조된 것은 1520년경 아연원소가 발견된 후부터이다. 자연합금의 형태로는 고대 그리스 때부터 인류와 친근했으며, 비철금속 중 가장 일상생활과 관계가  깊다.

고체의 구리 속에 아연이 녹아들어가는 범위(약 35%까지)의 것을 α황동이라고 하는데, 전연성(展延性)이 크므로 두들기거나 늘려서 판 ·봉 ·선 ·관 등으로 가공해서 사용한다. 아연의 양이 많아짐에 따라 경도(硬度)와 강도가 증가하고, 합금의 색도 구리의 붉은기가 도는 색에서 황색에 접근해 간다.

고체의 구리에 고용(固溶)되는 양 이상으로 아연이 들어가면 여분의 아연은 구리와 β 라는 별개의 고체를 만들기 때문에 합금은 α 와 β의 두 가지 고체의 혼합물(2相이 된다고 한다)이 되고, 색은 다시 붉은기가 더해지게 된다. 이러한 2상의 합금 중 대표적인 것은 40% 아연의 이른바 사륙황동으로, 건재(建材)의 쇠붙이 장식, 문의 손잡이 등    놋쇠장식은 대부분 이것이며, α황동보다 견고하고 마모되지 않는다. α황동의 대표적인 것은 30% 아연의 칠삼황동으로, 기물 등과 같이 판에서 따내어 만드는 것에는 이것이 많다. 동전도 α황동이다. 칠삼황동 이외의 α황동도 성분에 따라 여러 가지 용도가 있다. 20% 아연 이하의 것은 금색에 가깝고, 소량의 납을 가하면 더욱 금과 같은 색이 되므로 금단추 ·휘장(徽章) ·불단(佛壇)의 장식구 등으로 사용된다. 20% 아연의 것은 금박의 대용으로 서적의 금글자, 금색 인쇄에 사용되지만, 오래 되면 검게 변한다. 25∼35% 아연의 합금은 공업재료로 중요하며, 아연의 양에 따라 칠삼, 67/33, 65/35 라 하며, 전구의 소켓이나, 총탄의 약협(藥莢), 기타 스프링재로서 가정용 전기기구 등에 사용한다. 또한 금색이라 실내장식에도 많이 쓰이는 외에 주물로도 사용된다.