■ 교사용 실험 자료실 ■

실험 제목	알루미늄태그 만들기			실험 원리	산화와 환원, 금속의 부식
실험 시간	40분	실험 분야	화학	실험 방법	4인 1조 조별실험
세트구성물	알루미늄판, 볼체인고리, 염화구리, 알코올 솜, 모양스티커, 투명컵, 계량컵, 플라스틱통, 나무스틱
교사준비물	증류수(정수기물), 수돗물 환기가 잘 되는 실내에서 실시요망			학생준비물	유성펜(수정펜), 칼, 자, 일회용장갑, 보안경, 물기를 닦을 티슈
실험 결과	알루미늄태그 1개를 가지고 갈 수 있습니다.
실험팁	TIP 1. 실험 과정에서 수소기체가 발생합니다. 인체에 해는 없으나 직접 흡입하면 좋지 않으므로 학 생들의 주의가 필요하며 환기가 잘 되는 실내에서 실시하시기 바랍니다. TIP 2. 알루미늄 판을 꾸밀 때 양면을 모두 꾸미고 동시에 부식 시키면 간단히 실험할 수 있습니다. 한 면씩 할 때에는 반대 면은 반드시 보호필름이나 셀로판테이프로 보호되어야 합니다. TIP 3. 실험용 시약은 손에 묻으면 좋지 않으므로 일회용장갑이나 핀셋을 준비하도록 하시고, 가능하면 보안경도 사용하시기 바랍니다. TIP 4. 유성펜을 지울 때 플라스틱통에 알코올을 적당량 넣고 부식된 알루미늄판을 넣어 흔드는 것도 좋은 방법입니다.

부식이란 금속이 외부로부터의 화학적 작용에 의해 소모되어가는 현상을 말합니다. 우리주변에서 흔히 볼 수 있는 부식현상을 찾아봅시다.

원리참조

[용액만들기]

1. 만들어진 용액은 무슨색깔인가요?

구리 이온이 함유된 염화구리 수용액은 맑은 푸른색 용액입니다.

[알루미늄판 부식시키기]

5. 잠시 후 알루미늄 판에는 어떤 현상이 나타납니까?

염화구리수용액에 잠긴 알루미늄 판의 표면에서 부글부글 (수소)기체가 발생하며, 따뜻(발열)해집니다.

수소기체는 인체에 해는 없지만 직접 흡입하면 좋지 않으므로 조금 물러서서 관찰합니다.

1. 금속이 주재료인 구조물이나 자동차, 배 등이 부식되면 매우 위험할 수 있습니다. 어떻게 하면 부식을 방지할 수 있을까요?

원리학습 참조, 오늘 실험에서 사용한 스티커나 유성펜은 부식 방지제와 같은 역할을 하고 있음을 상기시켜 주시면 좋습니다.

2. 금속의 부식 현상을 어느 곳에 이용할 수 있을까요? 금속의 부식현상을 활용한 예를 찾아봅시다.

원리학습 참조, 여러 가지 금속판화 미술품이나 엘리베이터 문앞에서 보는 금속판의 무늬 등은 부식을 이용한 것입니다.

부식 [腐蝕, corrosion]

금속이 외부로부터의 화학적 작용에 의해 소모되어 가는 현상으로 습식과 건식으로 크게 구별된다. 부식은 계속적으로 일어나는 성질이 있으며,  도금 ·도장, 표면 산화피막의 형성, 전기방식 등의 부식 방지법이 있다.

액체상(液體相)과 접촉하고 있을 때 일어나는 습식(濕蝕)과, 기체상만으로 비교적 고온일 경우에 일어나는 건식(乾蝕)으로 대별된다. 예를 들면, 상온에서 철이 녹스는 것은 습식이고, 고온 할로젠기체 속에서 각종 금속이 소모되는 것은 건식이다. 평상시 주변에서 흔히 볼 수 있는 것은 습식이지만, 그 메커니즘은 국부전지(局部電池)의 형식에 의해 설명된다. 즉, 같은 금속의 표면일지라도 미시적(微視的)으로는 물리적·화학적으로 각부의 상태가 다르므로, 그것들의 전극전위는 모두 다르다.

따라서 전위가 낮은 부분(전자가 풍부한 부분)은 전위가 높은 부분(전자가 적은 부분)에 전자를 주어 용해하고, 높은 부분에 도달한 전자는 이 부분에 용액 속으로부터 확산 또는 이동해 온 이온을 환원함으로써 소비되는데, 이 이동이 반복되면서 부식이 진척된다. 또 부식은 금속표면이 고르게 부식되는 전면부식과, 한정된 일부만이 부식되는 국부부식으로 분류하기도 한다. 특히 국부부식의 예는 많은데, 그 대표적인 것으로서, 스테인리스강이나 두랄루민에서 볼 수 있는 금속결정의 결정립계(結晶粒界)에 따라 부식이 진행하는 입간부식(粒間腐蝕)이나 금속표면의 방식피막(防蝕被膜)에 핀홀[氣孔]이 생겨서 거기에서 받은 부식이 내부로 급속히 진행되어 가는 점식(點蝕) 및 금속과 금속 간의 접점(接點)이 미동(微動)함으로써 생기는 접동부식(摺動腐蝕) 등을 들 수 있다.

접동부식은 금속표면의 피막이 접동에 의해 파괴되고, 금속 또는 금속산화물의 파편이 금속 사이에 끼여서 동시에 산화한다고 생각된다. 이것들에 비하여 대기 안에서의 부식이나 산수용액 안에서의 금속의 용해 등은 전면부식의 예이다. [출처] 부식 [腐蝕, corrosion ] | 네이버 백과사전

주석판 [朱錫板, tin plate]-양철

주석을 입힌 철판으로 주석은 일반적으로 철보다 이온화 경향이 작은 금속이므로 주석을 입힌 철판은 철을 완전히 보호할 수 있으나, 일단 주석이 벗겨지면 철의 부식을 촉진하는 경우가 있다. 통조림통의 재료로 가장 널리 사용되며, 그 밖에 완구나 방습용의 식품용기에 사용된다.

주석은 일반적으로 철보다 이온화 경향이 작은 금속이므로 주석을 입힌 철판은 철을 완전히 보호할 수 있으나, 일단 주석이 벗겨지면 철의 부식을 촉진하는 경우가 있다. 주석판은 통조림통의 재료로 가장 널리 사용되며, 그 밖에 완구나 방습용의 식품용기에 사용된다. 주석도금 방법은 양산(量産)에 적합한 자동적인 방법이 있는데, 먼저 소재인 철판을 산으로 씻어 표면의 산화막을 제거한 후, 중화수로 씻고, 용해된 주석면에 염화아연을 용해시킨 층이 떠 있는 주석욕조 속에 넣어 표면에 주석을 붙인 다음 반대쪽에서 끌어올린다. 끌어올리는 쪽에서는 주석용액면에 야자기름이 띄워져 있으므로 주석이 여기서 고른 두께로 부착하게 되는데, 이것을 다시 롤 사이로 통과시켜 여분의 주석을 닦아 내고 마지막으로 플란넬의 롤로 연마하여 광택을 낸다. [출처] 주석판 [朱錫板,|네이버 백과사전

아연도금철판 [亞鉛鍍金鐵板, galvanized steel sheet]-함석

녹은 아연이 들어 있는 탱크에 철판을 넣고 표면에 얇은 아연층을 입힌 것으로 함석이라고도 하며 함석 표면에 보이는 큰 꽃 모양의 무늬는 아연의 결정(結晶)이다. 건축자재, 가솔린통 등을 만들 때 쓰인다.

함석이라고도 하며, 주석을 입힌 양철과 함께 잘 알려져 있다. 함석 표면에 보이는 큰 꽃 모양의 무늬는 아연의 결정(結晶)이다. 외관은 양철보다 나쁘고 산에 약하나, 철의 내식피복(耐蝕被覆)으로서는 양철보다 우수하며, 일부가 벗겨져도 아연이 전기화학적으로 녹기 쉬우므로 먼저 녹아 속의 철판을 부식으로부터 지켜준다.

용도는 지붕 등의 건재(建材)를 비롯하여 가솔린통 등에 사용된다. 알루미늄판에 비해 값이 싸며, 두꺼운 것에 도장(塗裝)을 충분히 함으로써 내구성(耐久性)을 얻을 수 있고 물매가 완만한 지붕에도 긴 것을 사용하면 빗물이 잘 빠져 흐르고 외관도 근대적이므로 지붕재로 많이 사용된다. 또 방화건축(防火建築)의 벽재(壁材)로서 사용되며, 공장건축에도 사용된다.

모양으로는 평판(平板)과 파형판(波形板), 코일이 있으며, 크기나 두께 등에 대해서는 한국산업규격으로 정해져 있다(KS D 3506). 건재용으로는 두께 0.25~0.42 mm의 것이 많이 사용되며, 특히 지붕재료는 0.40 mm의 것이 좋다.                       [출처] 아연도금철판 [亞鉛鍍金鐵板, galvanized steel sheet ] | 네이버 백과사전

음극화보호 [陰極化保護, cathodic protection]

반응성이 더 큰 금속을 연결함으로서, 금속으로 만든 구조물의 부식을 방지하여 보호하는 것이다.

금속의 반응성의 차이를 이용해서 금속이 녹스는 것을 막기 위한 방법으로 사용하며, 금속으로 만들어진 지하 수송관이나 저장탱크·선박 등을 부식으로부터 보호하는데 이용된다.

대표적인 예로, 빗물받이에 사용하는 함석을 들 수 있다. 함석은 철에 아연을 코팅한 것으로, 아연의 반응성이 철보다 커서 철보다 먼저 산화되므로, 그 표면에 흠이 생겨도 아연이 먼저 산화되어 내부 철의 부식은 막을 수 있다. 이때, 함석 표면의 아연에서는 Zn→Zn2++2e-의 산화 반응이 일어나며, 이 반응에서 생성된 전자가 철이 산화되어 녹스는 것을 막아준다.

지하에 매설한 수도·가스관이나 기름탱크 등도 쉽게 산화되기 때문에, 철보다 반응성이 큰 마그네슘(Mg)을 도선으로 연결해 놓으면 마그네슘이 철보다 먼저 산화하므로 철 구조물을 보호할 수 있다.

선박의 경우도 밑창에 아연을 부착하여 배의 구조를 이루는 철이 녹스는 것을 억제할 수 있다.

음극화 보호 작용의 가장 큰 부작용은 수소취성(hydrogen embrittlement)으로, 전자이동의 결과로 발생한 수소가 금속 안으로 침투하여 금속의 기계적 성질을 약화시켜 금속이 쉽게 부스러지는 현상을 말한다.

[출처] 음극화보호 [陰極化保護, cathodic protection ] | 네이버 백과사전

녹 [rust]

금속의 표면에 생기는 부식생성물(腐蝕生成物)의 총칭이다.

방지법 : 녹을 방지하는 데는 금속이 공기나 습기에 직접 닿지 않도록 하면 된다. 따라서 그 방법으로는 금속을 보호피막으로 덮는 방법이 물리적·화학적으로 시행되고 있다. 안전면도날이나 핀 등의 표면에 자성(磁性)산화철 피막을 입힌 것이나 알루마이트 등은 그 대표적인 것이다.

또 도금(鍍金)도 널리 쓰이는데, 전기도금에서는 철의 표면에 니켈·크롬 등을 피복하는 예도 있고, 함석처럼 아연을 녹인 것에 철판을 담가 부착시키는 용융도금(溶融鍍金)도 있다. 그밖의 예로는 확산침투법·금속용사피복법(金屬溶射被覆法:메탈리콘)·증착법(蒸着法) 등이 있고, 또 법랑(琺瑯)·유리 라이닝 등도 사용되고 있다.

이상은 무기물을 피막으로 만드는 것인데, 유기피막으로서는 도장(塗裝)이 있다. 도료는 습기를 잘 흡수하지 않고 질이 밀하며, 금속과의 밀착성이 좋은 것을 선택해야 한다. 또 근래에 많이 이용하는 것으로 라이닝이 있다. 라이닝은 고무 및 각종 합성수지의 내식성(耐蝕性)을 이용하여 용기(容器)에 덧붙이는 것이다. 라이닝용 플라스틱에는 염화비닐·염화비닐리덴·폴리에틸렌·폴리스티렌·플루오르수지 등이 있다.       [출처] 녹 [rust ] | 네이버 백과사전

이온화경향 [-傾向, ionization tendency]

원자 또는 분자가 이온이 되려고 하는 경향으로, 쉽게 이온화되는 것을 이온화경향이 크며 산화되기 쉽다고 말한다. 이온화경향이 큰 원소가 그보다 이온화경향이 작은 원소의 이온과 만나면, 이온화경향이 큰 원소가 산화되고 이온이었던 원소는 환원된다.

이온화의 난이도를 말한다. 이온화하기 쉬운 것을 이온화경향이 크다고 한다. 일반적으로는 금속원소가 양이온이 되어 용액 속에 들어가려고 하는 경향을 말한다. 이 경향은 금속원소의 종류, 용액의 농도에 따라 다르므로, 정량적으로 비교하기 위해 일정한 조건하에서의 전극전압을 비교하는 것이 보통이다.

물에 대한 이온화경향의 크기에 따라 나열한 원소의 계열을 이온화서열 또는 전기화학계열이라고 한다. 이 계열의 앞쪽에 있는 것일수록 이온화경향이 크며, 산화되기 쉽다. 어떤 원소가 그보다 이온화경향이 작은 이온을 함유하는 수용액과 접하면 이온의 치환반응을 일으킨다.

예를 들면, 아연과 구리, 구리와 은에서는      Zn ＋ Cu2+ → Zn2+ ＋ Cu,  Cu ＋ 2Ag+ → Cu2+ ＋ 2Ag 와 같이 치환한다.

또 수소이온의 경우에는 수소기체를 발생한다. 예를 들면, Zn + 2H+ → Zn2+ ＋ H2↑ 가 되는데, 이것을 일반적으로 설명하면 '수소보다 이온화경향이 큰 금속은 묽은 산에 녹아 수소를 발생'하는 것이 된다. 또한 마찬가지로, 수소보다도 이온화경향이 작은 금속은 보통의 묽은 산과는 작용하지 않고, 산화되어 산에 용해된다.

이온화경향은 어떤 일정 조건하에서 비교한 것이기 때문에 조건이 달라지는 경우, 즉 용액의 성질(예를 들면, 산화력의 유무, 음이온의 종류 등)이 변한 경우에는 그대로 적용할 수 없을 때도 있다. 예를 들면, 알루미늄이나 크로뮴의 금속 조각은 수소보다 이온화경향이 커도 진한 질산에는 녹지 않는다. 이것은 질산에 의해서 금속의 표면이 산화되어, 산화피막을 만들어서 내부를 보호하기 때문이다. [출처]이온화경향[ionization tendency]|네이버 백과사전

*** 염화구리수용액과 알루미늄을 반응 시킬 때 수소가 발생하는 이유

이 반응은

3CuCl2(aq)  + 2Al(s)   --->  2AlCl3(aq)  + 3Cu(s)

3Cu++(aq)  + 6Cl-(aq)   +  2Al(s)   --->  2Al+++  +  6Cl-(aq)  + 3Cu(s)

이와 같은 금속의 반응성을 이용한 치환 반응입니다. 즉 금속의 이온화경향서열(금속의 반응성)은 K> Mg > Al > Ni > (H)  > Cu > ag  > Au  와 같습니다.

그런데, 물은 아주 소량(1x 10-14 mol/L) 이온화됩니다.

H2O <--->  H+(aq)  + OH-(aq)

처음 반응식으로 되돌아가면

3Cu++(aq)  + 6Cl-(aq)   +  2Al(s) + 2H+(aq)  + 2OH-(aq) --->  2Al+++  +  6Cl-(aq)  + 3Cu(s)

알미늄이 이온화하려면 전자를 2가지 중에 하나에게 주는데 사열이 낮은 Cu++가 받는 것이 당연한데 바로 그 위 서열이 수소이므로 일부 수소이온도 전자를 받아 수소 기체가 됩니다.

3Cu++(aq)  + 6Cl-(aq) + 2Al(s) + 2H+(aq)  --->  2Al+++  +  6Cl-(aq)  + 3Cu(s)↓  + H2(g)↑

이 반응은 서열 차가 많이 나면 일어나지 않는 반응입니다.