■ 교사용 실험 자료실 ■

실험 제목	전해질 탐지 오리			실험 원리	이온, 전해질, (전기분해)
실험 시간	40분	실험 분야	화학, 물리	실험 방법	4인 1조, 조별실험
실험키트 구성	EVA 모형판, 3색 LED, 할핀, 전지, 플라스틱 용기, 염화나트륨, 설탕, 나무스틱, 스티로폼 공
교사준비물	증류수 (대형약국 및 과학사에서 판매) 여러 가지 전해질과 비전해질 용액			학생준비물	가위 또는 칼, 송곳 또는 뾰족한 물건(연필 등) 네임펜, 휴지나 걸레
실험 결과	학생 1인당 각자 만든 전해질 탐지 오리 1개를 가지고 가며, 현장에서 설탕물과 소금물에 띄워봅니다.
실험팁	TIP 1. 비전해질을 녹일 때는 가능한 증류수를 사용합니다. 정수기 물을 사용하면 약하게 빛이 들어오는데 오리 머릿속에서는 보이지 않지만 이 점에 유의하여 지도하십시오.(생수, 수돗물 금지) TIP 2. 본 제품은 추가적인 재료없이 LED 다리를 고정시킬 수 있도록 제작되었습니다. 학생들이 칼라 모형판 속의 구멍을 늘리는 행동(손가락 넣기 등)을 하지 않도록 주의합니다. TIP 3. 전해질 확인 실험을 수행할 때는 비전해질 용액을 먼저 확인한 후 전해질 용액을 확인하는것이 좋습니다. 단자에 전해질이 남아 결과가 다를 수 있습니다. TIP 4. 용액을 바꾸어 실험할 때는 휴지나 걸레로 단자를 깨끗이 닦아서 사용합니다. 단자에 이전에 실험했던 용액이 묻어있어 정확한 결과를 얻을 수 없습니다. TIP 5. 실험실에서 쉽게 구할 수 있는 황산구리, 질산칼륨이나 주스, 간장 등으로 다양한 용액을 만들어 주시면 흥미로운 실험이 됩니다. ** 비전해질 용액 : 설탕물, 포도당 용액, 아세톤, 에탄올 등 ** 전해질 용액 : 소금물, 황산구리 용액, 질산칼륨 용액, 아세트산 용액, 식초, 우유, 간장, 주스 등 < 이 실험은 전기분해실험으로도 응용할 수 있습니다. >

물은 전기가 통하나요?

순순한 물(증류수)는 전기가 통하지 않습니다. 하지만 빗물, 생수, 수돗물의 경우는 이온을 포함하여 전기가 통하게 됩니다.

1. 전해질 용액에 전해질 탐지 오리를 띄웠을 때, 오리 머리가 밝게 빛나는 이유는 무엇입니까?

전해질을 물에 녹이면 해리하여 이온이 발생합니다. 그 후 전극을 꽂고 전류를 흘려주면, 음이온은 반대의 전하를

띠는 (+)극 쪽으로, 양이온은 (-)극 쪽으로 이동하기 때문에 수용액 속에서 전류가 흐르게 됩니다. 이로인해 전기

회로가 닫히게 되어 오리머리(LED)가 빛나게 됩니다.

2. 주변에서 찾을 수 있는 여러가지 용액에 전해질 탐지 오리를 띄워 전해질 용액을 찾아봅시다.

- 비전해질 용액 : 설탕물, 포도당 용액, 아세톤, 에탄올 등

- 전해질 용액 : 염화나트륨 수용액, 황산구리 수용액, 염화구리 수용액, 질산칼륨 수용액, 염화철 수용액,

질산스트론튬 수용액, 질산칼륨 수용액, 식초, 우유, 간장, 주스 등

전해질 [ electrolyte , 電解質 ]

설탕은 물에 잘 녹는 물질이다. 설탕을 물에 넣으면 중성 상태의 분자 하나하나가 떨어져 나와 수용액 속을 돌아다닌다. 그런데 소금의 경우는 약간 다른 양상을 보인다. 소금 역시 물에 잘 녹는 물질이며 입자들이 수용액 속에 고루 퍼지게 되는데, 이때 소금은 Na+ 입자와 Cl- 입자의 형태로 이온화된다. 즉 전하를 띤 이온들이 물 속에 녹아 있는 것이다. 물에 녹아 중성의 분자 상태로 존재하는 설탕과 달리, 소금처럼 물에 녹였을 때 해리되어 이온 상태로 존재하는 물질을 전해질이라 한다. 설탕처럼 물에 녹아 전류를 흐르게 하지 못하는 물질은 비전해질이라 한다.

전해질의 전기분해

전해질은 물에 녹아 전하를 띤 입자를 만들기 때문에 전류를 흐르게 할 수 있다. 먼저, 전해질을 용매에 녹여 전해질용액을 만든 후, 용액에 전극을 담그고 전원 장치를 연결하면 전류가 흐른다. 이때 양 극에서 화학적인 변화가 일어나 전기 분해가 가능해진다.

예를 들어, 이온결합 물질인 염화구리는 물에 녹아 Cu2+와 Cl-를 1:2의 비율로 만드는 전해질이다. 이때 용액에 전류를 통하게 하면 (-)극에서는 Cu(s)가 만들어지고 (+)극에서는 Cl2(g)가 만들어진다. 이렇게 전해질은 전류를 이용해 분해할 수 있다.

전해질 용액의 입자 수

전해질은 용매에 녹이면 입자의 수가 달라진다는 점에 유의해야 한다. NaCl(s) 입자 하나가 물에 녹아 Na+와 Cl-, 두 개의 입자를 만들고 CuCl2(s)는 물에 녹아 Cu2+, Cl-, Cl-, 이렇게 총 세 개의 입자를 만든다. 따라서 입자의 수에 비례하여 나타나는 성질을 판단할 때에는 이온화되어 몇 개의 입자가 생기는지 잘 파악해야 한다. 예를 들어, 소금물의 삼투압을 생각해보자. 삼투압은 용질 입자 수에 비례하여 나타난다. 물에 1몰의 소금(NaCl)을 넣었다면, 이온화에 의해 용액 속에는 1몰이 아닌 2몰의 입자(Na+, Cl-)가 들어 있는 것이다. 따라서 삼투압 계산 시, 2몰의 입자가 존재하는 것으로 계산해야 한다.

해리[ dissociation , 解離 ]

염산(HCl)은 물에 녹아 H+와 Cl-의 두 이온으로 나누어 지는 해리 반응이다. 또 아세트산(CH3COOH)은 해리되어 다원자 이온인 CH3COO-와 단원자 이온인 H+로 나누어진다. 탄산칼슘(CaCO3)은 해리되어 CaO와 CO2 분자로 나누어진다. 오존(O₃)은 자외선을 받으면 산소 분자(O₂)와 산소 원자(O)로 나누어진다. 헤모글로빈의 산소 운반 과정도 해리 반응의 일종으로, 폐포에서 산소와 결합한 헤모글로빈(Hb(O2)4)이 조직세포에 가서 해리되면서 산소(O2)를 공급해주고 다시 탈산소 헤모글로빈(Hb)이 된다. 이렇게 이온이든 원자든 분자든, 원래 분자를 구성하고 있던 물질들로 나누어지는 반응을 모두 해리라고 한다.

해리 반응은 가역적인 반응으로, 평형상태가 존재한다.

AB ⇄ A + B

염산(HCl)이 물에 녹으면 거의 100% 이온화 되어 H+와 Cl-가 만들어지지만, 만들어진 H+와 Cl-가 언제나 그 상태로 존재하는 것은 아니다. H+와 Cl-가 다시 결합하여 HCl이 되기도 한다. 다만 이렇게 해리와 결합이 끊임없이 일어나는 과정 속에서 해리 반응쪽으로 평형이 치우쳐 H+와 Cl-의 비율이 HCl에 비해 현저하게 높을 뿐이다. 산, 염기는 해리 반응이 얼마나 우세한가에 따라 그 세기가 달라진다. 해리 반응이 잘 일어나는 산, 염기는 H+나 OH-를 많이 만들기 때문에 강한 산, 염기로 작용한다.

이온[ ion ]

한 개의 원자로 구성된 이온을 단원자 이온이라 하고, 여러 개의 원자로 이루어진 이온을 원자단 혹은 다원자 이온이라 한다. 핵에 있는 양성자보다 전자가 더 많아 음으로 하전된 이온을 음이온(애니온:anion)이라 한다. 영국의 과학자 패러데이가 전기분해 때, 용액 속에서 애노드(+극)에 끌려가므로 이 이름이 붙었다. 한편, 양으로 하전된 이온을 양이온(캐타이온:cation)이라 부른다. 캐소드(-극)으로 이동하므로 지어진 이름이다. 이온의 표기는 이온생성시 잃거나 얻은 전자 개수에 전자를 얻으면 (-), 잃으면 (+) 부호를 붙여 나타낸다. 예를 들어, 수소 원자가 전자를 하나 잃어 (+)로 하전된 수소 이온은 H+로 나타낸다.

양이온 : 양으로 하전된 이온, 캐타이온

음이온 : 음으로 하전된 이온, 애니온

라디칼 이온 : 홀수 개의 전자를 가지고 있고 매우 활동적이고 불안정한 라디칼로부터 구성된 이온

플라즈마 : 가스 상태에 있는 이온의 집합을 플라즈마라 한다. 이는 기체, 액체, 고체와 성질이 다르므로 제4의 물질의 상태라 일컫는다. 눈에 보이는 우주의 99.9% 이상이 전자와 양성자로 이루어진 우주 플라즈마로 이루어져 있다.

이온화[ ionization , ─化 ]

이온화란 물리적 과정을 통해 원자나 분자에 전자나 다른 이온 입자를 제거하거나 더하여 이온이 되는 것을 말한다. 이 때 원자는 양전하를 띠어 양이온이 되거나 음전하를 띠는 음이온이 된다. 양이온의 경우, 원자 또는 분자에서 1개의 전자가 분리되어 양이온과 자유전자로 완전히 분리하는 데는 이온화 에너지가 필요하다. 음이온의 경우 자유전자와 원자가 충돌하면서 여분의 에너지를 방출하면서 음이온이 된다. 보편적으로 이온화에는 연속적 이온화와 비연속적 이온화, 두 가지 형태가 존재한다. 화학에서 해리(dissociation)와 자주 혼동되기도 한다.

고온의 기체들이 서로 충돌하면서 이온화가 일어나기도 한다. 고온의 기체들은 분자운동이 활발하고 큰 에너지를 가지고 운동하는 분자들의 수가 많아 기체들이 충돌하기 쉽고, 이때 전자의 이동이 일어나면서 이온화가 일어난다. 기체들마다 이온화하는데 필요한 에너지의 크기가 다르며, 이온화에너지의 크기가 작은 기체일수록 이온화가 되기 쉽다. 이온화에너지가 큰 기체일수록 이온화되기 어려우며 더 높은 온도에서 충돌이 일어나야 이온화될 수 있다.

저압 상태에서 기체에 전류를 흘려주어도 이온화가 일어날 수 있다. 저압에서 기체에 전류가 흐르게 하면 전류를 형성하고 있는 전자들이 기체와 충돌하면서 기체로부터 전자를 뺏고 기체를 양이온으로 이온화시키거나 중성 상태의 기체분자에 전자가 붙어 음이온으로 이온화시키기도 한다.

전극[ electrode , 電極 ]

전극은 전지, 콘덴서, 진공관 등에서 전기장을 만들거나 전류를 빼내거나 하는 막대 모양 또는 판 모양의 도체로, 화학 전지나 전기분해 등의 과정에서 두 종류의 전극이 한 개의 쌍으로 존재한다. 전극의 극성에 따라 양극, 음극으로 구분하거나, 전극에서 진행되는 반응(산화-환원 반응)에 따라 애노드, 캐소드로 구분할 수 있다.

양극·음극

전극의 극성에 따라 전극을 양극(positive electrode), 음극(negative electrode)으로 구분할 수 있다. 두 개의 전극 사이에 전류가 흐를 때, 두 극 중에서 전위가 높은 전극을 양극, 전위가 낮은 전극을 음극이라고 한다. 화학 전지에서는 전류가 전위가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르게 되는데, 따라서 전류는 양극에서 음극으로 흐른다.

애노드·캐소드

전극에서 진행되는 산화·환원 반응의 종류에 따라 전극을 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 구분할 수 있다. 전자를 방출하거나 산화(oxidation) 반응이 일어나는 전극을 애노드라고 하고, 전자가 들어오거나 환원(reduction) 반응이 일어나는 전극을 캐소드라고 한다. 예를 들어 1차 전지의 경우 언제나 음극에서 전자를 방출하는 산화 반응이 일어나고 양극으로 전자가 들어가는 환원 반응이 일어나므로 음극이 애노드, 양극이 캐소드가 된다. 충전지와 같은 2차 전지의 경우 전지를 사용하는 방전 과정일 때는 1차 전지와 마찬가지로 음극이 애노드, 양극이 캐소드가 된다. 그러나 전지를 충전 할 때는 외부 전원에 의해 음극에서 전자가 들어오는 환원 반응이 일어나고 양극에서 전자를 방출하는 산화 반응이 일어나기 때문에 방전할 때와는 반대로 음극은 캐소드, 양극은 애노드가 된다. 전기 분해 과정은 2차 전지가 충전되는 경우와 마찬가지로 음극에서 환원 반응이 일어나고 양극에서 산화 반응이 일어나므로 음극은 캐소드, 양극은 애노드가 된다.