금속광택은 보통 은백색인데, 금과 구리는 왜 각각 노랗고 붉은 광택을 띠는지에 대해 알아본다.
1. 금속의 광택
금속은 빛의 반사성이 우수하고 고유의 색깔을 가진다. 순금은 노란색이고, 순구리는 붉은 노란색이며, 알루미늄은 흰색이다. 대부분의 금속은 은백색을 띠지만 금속 가루는 대개 회색이나 검은색을 띤다. 가루가 회색이나 검은색을 띠는 이유는 금속이 가루가 되어 버리면 반사된 빛이 다른 가루들에 의해 흡수 되어 검은색으로 보이게 된다.
2. 금속이 광택을 나타내는 이유?
전자 바다 모형(electron sea model)이란, 금속결합의 모형이다. 금속은 대체로 이온화 에너지가 작다. 이온화 에너지(ionization energy)란, 원자로부터 가장 약하게 결합된 전자 즉, 원자가전자(valence electron)를 떼어내는데 필요한 최소의 에너지를 이다. 그러니까 금속은 이 이온화 에너지가 작기 때문에 원자가전자가 (+)전하를 띈 원자의 핵심부에 약하게 끌려 있는 것이다. 그러면 금속원자들은 원자가전자를 쉽게 방출할 수 있는데 그러면 이 방출된 전자는 금속원자의 핵심부 사이를 자유롭게 돌아 다닐 수 있습니다.
그러면서 원자 핵심부를 결합시키는 일종의 접착제 열할을 하며 이렇게 자유롭게 움직이는 전자를 자유전자(free electron)이라고 합니다. 즉, 이 자유전자가 자유롭게 흐르는 '전자의 바다속에 원자의 핵심부가 규칙적으로 배열된 것과 같은 구조' 를 하고 있어 이를 전자 바다 모형이라고 합니다. 그러면 이 전자 바다 모형은 금속의 광택과 어떤 관계가 있냐 하면 이 전자바다 모형속의 자유전자들이 자유롭게 움직이면서 광범위한 파장의 빛을 흡수합니다.
그리고 다시 이 자유전자들이 흡수한 파장의 빛을 다시 방출합니다. 즉, 이 자유전자들이 반사한 여러파장의 빛이 우리 눈에 들어옵니다. 여러가지 색이 합쳐지면 우리 눈에 비치는 색은 물론 흰색이다. 그래서 우리 눈에는 은백색의 광택을 띄는 것으로 보이는 것이다.
3. 금과 구리의 광택은 노란색 붉은색인 이유는 무엇인가?
금이나 동처럼 선택흡수를 하는 경우 특유의 빛깔이 난다
1) 금 : 노란색 영역의 빛을 반사 하여 노란 빛깔의 광택이 난다.
2) 구리: 붉은색 영역의 빛을 반사 하여 붉은 빛깔의 광택이 난다.
질산은은 흑백사진을 만드는 데에도 이용되었다. 이에 대해 알아본다.
1. 질산은 [silver nitrate]
화학식은 AgNO3. 피부와 점막에 질산은을 사용하는 경우에는 질산은 막대나 물에 녹인 0.01～10％의 질산은 수용액을 사용한다. 질산은막대는 사마귀나 육아조직을 없애고 상처와 궤양을 소작(燒灼)하는 데 사용한다. 매우 묽은 용액은 수렴제와 약한 소독제로 사용한다.
1～2％ 질산은용액은 임균에 효과적이어서 신생아의 눈이 임균에 감염되어 눈이 머는 것을 막기 위해 이 용액을 넣어주기도 한다. 순수한 질산은은 의학용으로 사용되는 콜로이드성 은화합물과 사진 유제에 넣어주는 할로겐화은과 같은 은염을 제조하는 중간물질로 쓰인다. 분석화학에서는 질산은수용액을 써서 할로겐화물·시안화물, 티오시안산염 등을 용량분석하고, 환원제와 불용성 은염을 형성하는 여러 가지 산(酸)의 양이온을 검출하는 데 사용한다.
질산은은 질산에 은을 녹여 대량으로 만들 수 있는데, 투명한 판상(板狀) 결정이며 녹는점은 212℃이고, 20℃에서의 용해도는 물 100g당 222g이다. 또한 메탄올·에탄올에 적당량이 녹으며 다른 유기용매에는 적은 양이 녹는다. 질산은은 약 320℃까지 가열하면 산소를 잃고 아질산은으로 변한다. 적열상태에서는 은이 형성된다. 질산은을 먹었을 때에는 심한 복통과 함께 구토와 설사가 일어나며 위장염으로 진전된다. 이 경우에는 소금물이나 우유(또는 계란 흰자와 물을 섞은 것), 또는 비눗물을 경구투여하여 식도·위·점막을 보호하고 독성이 있는 유리된 은이온을 염화은으로 침전시켜야 한다.
2. 질산은과 흑백사진
질산은 수용액에 할로겐화 이온을 포함한 수용액을 가하면 할로겐화 은이 가라앉는다. 이 앙금에 빛을 쬐면 보라색을 거쳐 감광제로 이용된다. 이것은 할로겐화은이 빛에 의해 은으로 유리되기 때문이다. 할로겐화은은 이와 같은 성질이 있어 사진의 감광제로 이용된다.
흑백 사진의 필름이나 감광지는 브롬화은 AgBr의 고운 입자를 제리틴에 분산시켜 셀룰로오스 막이나 인화지용 종이에 바른 것이다. 브롬화은에 가시 광선보다 에너지가 큰 빛을 쬐면 빛에너지에 의하여 브롬화은이 분해되어 미량의 Ag+이 Ag으로 유리된다. 이 때, 생긴 Ag의 양은 극히 미량으로 눈에 보이지 않는다. 이것을 잠상이라고 한다. 잠상이 생긴 필름을 히드로퀴논이나 메톨같은 약한 환원제 용액의 현생액에 넣으면 할로겐화 은이 환원되면서 은이 유리되어 검은 상이 나타난다.
Ag+ + e- → Ag
이것을 현상이라고 한다. 현상이 끝난 필름을 티오황산나트륨을 주성분으로 하는 액체인 정착액에 넣으면 반응하지 않고 남아 있던 AgBr가 녹아 나온다. 이것을 정착이라고 한다. 그림과 같이 정착에 의해 얻어진 상은 실물과 명암이 반대이며 이것을 음화라고 한다. 음화 밑에 인화지를 놓고 빛을 비춘 뒤(인화)현상, 정착을 거치면 양화가 된다. 이 양화가 우리가 흔히 보는 사진이다.
톨렌스시약에서 생기는 폭발성 화합물은 「질산암모늄」이다. 이화합물과 폭약에 대해서 알아본다.
1. 톨렌스 시약에서 질산암모늄 생성과정
HCHO + 2[Ag(NH3)2]+ + 2NO3- + H2O → HCOOH + 2Ag↓ + 2NH4NO3
톨렌스시약=암모니아성 질산은 용액 질산암모늄
2. 질산암모늄[a㎜onium nitrate]
암모니아와 질산이 반응하여 생성되는 염(鹽). 화학식은 NH4NO3. 비료와 폭발물로 널리 사용된다. 시판되는 질산암모늄은 33.5％의 질소를 포함하고 있고, 식물이 이 질소를 모두 이용할 수 있는 형태로 존재한다. 질산암모늄은 인공 비료 중에 들어 있는 가장 흔한 질소 성분이다.
또한 암모니아 다이너마이트에서는 니트로글리세린과 같은 폭발물의 폭발속도를 조절하는 데 사용되며, 질산암모늄과 알루미늄 분말의 혼합물인 암모날에서는 산화제 역할을 한다. 질산암모늄은 무색의 결정성 물질로 녹는점은 169.6℃이다. 물에 매우 잘 녹고, 수용액을 가열하면 염이 분해되어 아산화질소(소기)가 된다. 고체상태의 질산암모늄을 제한된 공간에서 가열하면 폭발적으로 분해되므로 이것을 선적하거나 보관할 경우에는 정부의 규제를 받는다.
북한 용천역에서 일어난 폭발사고는 원인이 질산암모늄이라고 한다. 북측 발표를 보면 "질안비료를 적재한 화차들과 유조차들을 갈이(낡은 부분을 떼어내고 새 것으로 바꾸는 일)하던 중 부주의로 인해 전기선에 접촉돼 폭발사고가 발생했다"는 것이다. 발표에 나타난 것처럼 질산암모늄은 중요한 비료다.
하지만 그것은 또 놀라운 폭발물로 바뀔 수도 있다. 아일랜드에서는 79% 이상의 질산암모늄을 함유한 비료는 폭발물로 특별 취급할 정도다. 실제로 테러리스트들이 이를 화약으로 바꿔 쓸 수가 있기 때문이다. 같은 물질이 농부가 논밭에서 사용하면 작물을 길러주는 고마운 비료가 되지만, 테러리스트가 사용하면 무서운 폭약으로 바뀌는 것이다.
3. 질산암모늄 폭약
질산암모늄을 기재로 하는 폭약이다. 제조법상으로, 나이트로화합물을 예감제로 하는 것, 과염소산암모늄을 함유하는 칼라이르계의 것, 나이트로글리세린을 예감제로 하는 것, 예감제를 사용하지 않는 질산암모늄유제폭약(안포폭약) 등이 있다. 제조법상으로 4종류로 분류된다.
① 나이트로화합물을 예감제로 하는 것, ② 과염소산암모늄을 함유하는 칼라이르계의 것, ③ 나이트로글리세린을 예감제로 하는 것, ④ 예감제를 사용하지 않는 질산암모늄유제폭약(안포폭약) 등이다. 용도상으로는 ① 탄광용(좁은 뜻의 질산암모늄폭약), ② 광공업용 폭약(안전폭약·안포폭약)으로 나누어진다.
좁은 뜻의 질산암모늄폭약에는 나이트로화합물을 예감제로 하는 것과 나이트로글리세롤(6% 이하)을 예감제로 하는 것이 있고, 어느 것이나 감열소염제를 함유하고 탄광 내의 메테인·탄진이 있는 곳에서 사용할 수 있는 검정폭약이다. 광공업용 폭약은 감열소염제를 함유하지 않는다.
「흡착」에 대해 알아본다.
1. 흡착（absorption)
2개의 상(相)-상의 계면(고-액, 기-액, 액-액) 이 접할 때, 그 상을 구성하고 있는 성분물질이 경계면에 농축되는 현상이다. 즉 쉽게 생각하면 물질의 표면에 액체나 기체등의 물질이 붙어 있는 것이라 할수 있다.
1) 흡착질(Adsorbate) : 흡착되는 물질 (증기,가스등)
2) 흡착제(Adsorbents) : 흡착하는 물질(활성탄,실리카겔등)
예를 들어 우리가 실험한 은거울 반응에서 흡착질은 은이 되고 흡착제는 유리가 된다. 흡착은 고체의 계면 어느 곳에서 일어나며, 흡착제는 다공성(틈이 많은것) 이고 모세관이 많을수록 흡착에 필요한 고체의 계면이 증가한다. 흡착제가 갖추어야 할 가장 중요한 성질은 비표면적[Surface to Volume ratio : 입방체(㎥ 혹은 g)에서 다른 물질과 접촉할 수 있는 면적(㎡)]과 흡착 물질에 대한 친화력이며, 비표면적과 친화력이 클수록 흡착효과는 커진다.
2. 흡착의 종류
1) 물리적 흡착 : 물리적인 힘 (van der Waals 힘으로 일컬어지는 분자간 응집력에 의한 것)에 의하여 기체 분자가 고체 표면에 달라붙는 일. 화학 흡착에 비하여 흡착력이 약하고 흡착열이 적다. 활성화 에너지는 없으며 범위는 다분자층을 이룬다.
2) 화학적 흡착 : 흡착제(adsorbent)와 흡착질(adsorbate) 사이에 생성된 화학 결합에 의한 것이고, 보통의 화합 결합처럼 고체의 표면과 화학 결합을 하여 흡착되는 일. 흡착력이 강하며, 물리 흡착보다 흡착열이 높다. 활성화 에너지는10～50kcal/㏖정도이다. 범위는 단분자층을 이룬다.
3. 도금
1) 전기도금 : 가장 많이 쓰이는 방법이다. 전기분해의 원리를 이용하여 물체의 표면을 다른 금속의 얇은 막으로 덮어 씌우는 방법
2) 화학도금 : 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고 금속염 수용액 중의 금속이온을 환원제의 힘에 의해 자기 촉매적으로 환원시켜 피처리물의 표면 위에 금속을 석출시키는 방법이다.
3) 용융도금 : 다른 종류의 금속·합금의 층을 만드는 도금으로 도금하고자 하는 금속 용융액 속에 금속제품을 담그어 표면에 용융액을 부착하게 한 후 꺼냄으로써 만든다. 피도금물보다 용융점이 낮은 금속·합금의 얇은 층을 입히는 데 사용된다.
은거울 반응으로 은을 입히는 것은 물리적 흡착에 속하며 화학도금에 해당한다.
1. 흡수（absorption)
대상이 되는 물체 안으로 완전히 들어가 버리는 것, 어떤 물질이 결정이나 무정형 고체 덩어리 또는 액체의 내부로 스며 드는 것을 말한다.
ex) 옷에 물이 닿으면 물이 흡수 된다. 화장품을 바르면 화장품이 피부속으로 흡수된다. 소화기관에서 영양소가 흡수 된다.
꼬마병의 바깥 지름과 바깥 높이를 안쪽 지름과 안쪽 높이로 보고, 버니어캘리퍼스나 마 이크로미터로 측정하여 꼬마병 안쪽 면의 넓이를 계산하라. 그리고 이 실험에 쓰인 질산은의 양을 계산하여 은이 몇 그램이나 각 꼬마병의 안쪽 면에 흡착되었는지 계산하라(꼬마병에 넣은 은이 모두 흡착되었다고 가정한다). 또한 이렇게 흡착된 은의 두께는 평균적으로 얼마이며, 이 두께는 은 원자 몇 개의 두께에 해당하는지 계산하라. 이 계산은 모두 유효숫자를 옳게 반영한 어림셈으로 한다.
1. 계산과정
1) 꼬마병 지름 : 12.10㎜ → 반지름(r) : 11.05㎜ 높이(h) : 49.00㎜
2) 겉넓이 = 2πr×h + πr2 = 2π(11.05)×(49.00) + π(11.05)2 =3.785×103
3) 실험에서, 0.1M 질산은 30㎖, 암모니아수 3㎖, 수산화칼륨 12㎖ → 총, 45㎖ 중 5㎖ 사용
4) 사용한 질산은의 양 = 30/45 × 5 = 3.333㎖, 은의 분자량 = 108g/㏖
5) 사용한 질산은이 0.1M이므로
6) 1㏖/10000㎖ × 3.333㎖ = 1/3000㏖ ---- Ag원자의 몰수 M.w(Ag) = 108g/㏖
7) 총 Ag 원자의 질량 1/3000㏖ × 108g/㏖ = 0.036g
8) 은의 밀도 = 10.501 × 106g/㎥
9) 흡착된 은의 부피 = 질량/밀도 = 0.036g / (10.501× 106g/㎥) = 3.428×10-9
10) 부피 = 겉넓이×높이
11) 높이 = 부피 / 겉넓이 = (3.428× 10-9g/㎥) / (3.785× 10-3㎡) = 9.057× 10-7m
12) Ag원자 지름 = 320pm = 0.320× 10-9m
13) 해당되는 은 원자의 개수 = 부피 / Ag원자 지름 = (9.057× 10-7m)/(0.320× 10-9m) ≒ 283045.3211 = 2.830× 104개
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