원소별 수용액 이온 목록

섬네일|right|350px|수용액 상태의 금속 이온은 다양한 색을 띤다:
 에서 유래한 빨간색 코발트 양이온 ( 참조)
 에서 유래한 주황색 크로뮴 옥소음이온 ()
 에서 유래한 노란색 크로뮴 옥소음이온 ()
 에서 유래한 청록색 니켈 양이온 ()
 에서 유래한 파란색 구리 양이온 ()
 에서 유래한 보라색 망가니즈 옥소음이온 ()

이 문서는 원소별 수용액 이온 목록에 대한 내용이다. 금속 이온의 이성분 염 수용액에서 pH에 따라 존재할 가능성이 가장 높은 이온 종을 나열한다. 이러한 이온의 존재는 실험 데이터 기반의 모델링이나 X선 결정학을 통해 얻은 구조와의 유사성을 통한 간접적인 증거를 바탕으로 추론해야 한다.

 서론 
일반식 MXn을 갖는 금속 이온의 염이 물에 녹으면 양이온과 음이온으로 해리된다.

(aq)는 이온이 수화되었음을 의미하며, 양이온은 화학식 [M(H2O)p]q+를 갖고 음이온의 수화 상태는 일반적으로 알려져 있지 않다. 편의상 이 문서의 나머지 부분에서는 (aq)를 표시하지 않는데, 이온에 붙어 있는 물 분자의 수는 가수분해와 관련하여 중요하지 않기 때문이다. 이 반응은 저농도 내지 중농도의 알칼리 금속 염에서 정량적으로 일어난다.

2가 금속 이온 염의 경우, 아쿠아 이온은 물이 갈라진다는 뜻의 그리스어에서 유래한 가수분해라는 해리 반응을 거치게 된다. 이 과정의 첫 번째 단계는 다음과 같이 쓸 수 있다.
 

알칼리 용액을 첨가하여 용액의 pH를 높이면 가수분해 정도가 증가한다. pH 측정이나 색상 변화를 이용하여 반응의 평형 상수를 유도한다. 추가적인 가수분해가 일어나 하이드록시기 또는 옥소기를 포함하는 이량체, 삼량체 또는 중합체 종이 생성될 수 있다. 다음 단계는 화학적 과정에 대한 어떤 모델이 실험 데이터에 가장 잘 맞는지 결정하는 것이다.

 모델 선택 
섬네일|right|베릴륨 가수분해. 이 도표에서 물 분자는 생략되었다
모델은 용액 내에 상당량 존재하는 착물 종의 목록으로 정의된다. 본 문맥에서 착물 종은 일반식 [MpOq(OH)r]n±를 갖는다. 여기서 p, q, r은 종의 화학량론을 정의하고 n±는 이온의 전하를 나타낸다. 실험 데이터는 용액에서 형성될 수 있는 종을 나타내는 모델에 맞춰진다. 가장 잘 맞는 모델이 출판을 위해 선택된다. 그러나 데이터를 수집할 수 있는 pH 범위는 오른쪽 그림에서 보듯이 상대적으로 낮은 pH에서 화학식 M(OH)n을 갖는 수산화물이 형성된다는 사실에 의해 제한된다. 이는 단량체와 이량체가 형성될 때 모델 선택 과정을 어렵게 만들고, 고차 중합체가 형성될 때는 거의 불가능하게 만든다. 이러한 경우 고체에서 발견되는 종이 용액에도 존재한다고 가정해야 한다.

하이드록소 가교 종의 형성은 단량체보다 엔탈피적으로 유리하며, 이는 응집에 따른 불리한 엔트로피 효과를 상쇄한다. 이러한 이유로 두 유형의 종이 모두 존재하는 모델을 확립하기가 어렵다.

 단량체 가수분해 생성물 
가수분해 상수의 값을 실험적으로 결정할 수 있을 때 가수분해 정도를 정량화할 수 있다. 첫 번째 가수분해 상수는 다음 평형을 의미한다.
 
이 반응의 결합 상수는 다음과 같이 표현될 수 있다.

 (일반식에서 전하는 생략됨)
이 평형 상수의 수치는 금속 이온 가수분해만을 다루는 논문에서 찾을 수 있다. 그러나 일반적으로 산 해리 상수(Ka)를 사용하는 것이 더 유용하다.

그리고 책이나 다른 출판물에서는 이 값의 여대수인 pKa를 인용한다. 두 값은 다음과 같은 관계를 갖는다.
log K(결합) * log K(해리) = pKw
pKw는 물 자체 해리를 의미한다. pK = log (1/K) = -log(K).

추가적인 단량체 착물은 단계적으로 형성될 수 있다.

 

 이량체 종 
일반식 M2(OH)n을 갖는 두 개의 금속 이온을 포함하는 가수분해된 종은 기존의 단량체 종으로부터 형성될 수 있다. 단계적 반응
 
은 이 과정을 설명한다. 대안적인 단계적 반응
 
도 일어날 수 있다. 불행히도 전위차 적정 데이터를 사용해서는 이 두 가지 가능성을 구별할 수 없는데, 두 반응 모두 용액의 pH에 영향을 미치지 않기 때문이다.

이량체 종의 농도는 단량체 종의 농도보다 금속 이온 농도에 따라 더 빠르게 감소한다. 따라서 두 종의 안정도 상수를 결정할 때는 보통 금속 염 농도가 서로 다른 2개 이상의 적정 데이터를 얻어야 한다. 그렇지 않으면 단량체와 이량체 종의 정밀화 매개변수 사이에 100% 수학적 상관관계가 존재하기 때문에 비선형 최소제곱법 정밀화가 원하는 값을 제공하지 못하고 실패할 수 있다.

 삼량체 및 중합체 종 
중합체 종의 안정도 상수를 결정할 때의 주요 문제는 여러 가능성 중에서 어떻게 "최상의" 모델을 선택하느냐 하는 것이다. 이 문제를 설명하는 예가 Baes & Mesmer, p. 119에 나와 있다.

삼량체 종은 이량체와 단량체의 화학 반응을 통해 형성되어야 하며, 이는 이량체의 안정도 상수 값이 별도의 실험 데이터를 통해 결정되어 "알려져" 있어야 함을 의미한다. 실제로는 이를 달성하기가 매우 어렵다. 대신, 일반적으로 용액 내의 종은 결정 구조 결정에서 확인된 종과 동일하다고 가정한다. 이 가정이 타당한지 여부를 확인할 방법은 없다. 게다가 단량체와 중합체 사이의 중간체로 필요한 종은 농도가 너무 낮아 "검출 불가능"할 수 있다.

극단적인 예로 고체 상태에서 분리될 수 있는 13개의 알루미늄(III) 이온 클러스터를 갖는 종이 있다. 용액에는 특성이 밝혀지지 않은 최소 12개의 중간체 종이 존재해야 한다. 따라서 용액 내 중합체 종의 공표된 화학량론은 정확할 수 있지만, 실제로는 다른 종이 용액에 존재할 가능성이 항상 열려 있다. 일반적으로 중간체 종의 생략은 공표된 종 분포도의 신뢰성에 영향을 미친다.

 가용성 수산화물 
비금속 원소의 일부 수산화물은 물에 녹는다. 이들은 다음 표에 포함되지 않았다. Baes와 Mesmer(p. 413)가 인용한 예로는 갈륨(III), 인듐(III), 탈륨(III), 비소(III), 안티모니(III) 및 비스무트(III)의 수산화물이 있다. 전이 금속의 대부분의 수산화물은 물에 "불용성"인 것으로 분류된다. 그중 일부는 알칼리 용액에서 반응하며 용해된다.
M(OH)n + OH− → [M(OH){n+1}]−

 목록 
아스타틴과 라돈 같은 일부 강한 방사성 원소의 경우 극미량만 실험되었다. 따라서 이들이 형성하는 종의 명확한 특성 규명은 불가능하므로 아래 표에서 제외되었다. 이들이 무엇일지에 대한 일부 이론적 추측이 문헌에 존재하며, 자세한 정보는 해당 원소의 본문 문서에서 찾을 수 있다.

 란타넘족 이온 

 음이온 

 주기율표 분포 
원소의 다양한 이온 종류의 발생 현황이 이 주기율표에 나타나 있다.

center|750px

 주기율표 참고 사항 
주기율표가 단순히 족과 주기의 합이라는 관점보다는 이미지를 조사해 보면 몇 가지 패턴을 발견할 수 있다. 금속의 경우 빨강-주황-모래-노랑 색상에서 금속적 성질이 나타나고, 비금속의 경우 청록, 파랑, 보라 색상에서 나타나는 왼쪽에서 오른쪽으로의 전이가 크게 나타난다. 1주기에서 4주기에서 보이는 점선은 금속과 비금속 사이의 구분선 개념에 해당한다. 5주기와 6주기의 혼합된 종들은 화학자들이 구분선을 어디로 이어야 할지 평가하는 데 얼마나 많은 어려움을 겪을 수 있는지를 보여준다. 나이오븀-탄탈럼-텅스텐-테크네튬-레늄-오스뮴-이리듐 6각 영역 주변의 별도 점선 경계는 많은 전이 금속이 비금속적 화학 성질을 갖는다는 평판의 전형적인 예이다.

Ⓐ  수소는 양이온 형성체로 표시되어 있으나 그 화학 성질의 대부분은 "결국... 헬륨의 전자 배치를 얻으려는 경향으로 설명될 수 있으며", 따라서 주로 비금속으로 행동한다.

Ⓑ  베릴륨은 13족의 알루미늄과 대각선 관계를 가지며, 이러한 관계는 붕소와 규소, 탄소와 인 사이에서도 나타난다.

Ⓒ  양이온만 형성하는 원소는 16개 원소로 제한되어 나타나는데, 1족의 모든 원소와 무거운 악티늄족 원소들이 이에 해당한다.

Ⓓ  희토류 원소는 3족 금속인 스칸듐, 이트륨, 루테튬과 란타넘족 원소들을 말하며, 스칸듐은 옥소음이온을 형성할 수 있는 것으로 나타난 유일한 희토류 금속이다.

Ⓔ 악티늄족과 같은 방사성 원소는 연구하기가 더 어렵다. 알려진 종이 가능한 전체를 대표하지 않을 수도 있으며, 그 정체 확인이 때때로 의심스러울 수도 있다. 또 다른 예로 아스타틴은 강한 방사성을 띠며, 안정된 종을 결정하는 것은 "아스타틴 실험이 수행된 극도로 낮은 농도, 불순물, 벽면 및 필터와의 반응 가능성, 또는 방사능 부산물 및 기타 원치 않는 나노 규모 상호작용에 의해 가려져 있다. 마찬가지로 Kirby가 언급했듯이, "아이오딘의 미량 화학은 때때로 거시적 화학과 크게 다르기 때문에 아스타틴과 아이오딘 사이의 유사성은 기껏해야 의심스러울 가능성이 높다."

Ⓕ  우라늄까지의 초기 악티늄족 원소들은 3족에서 9족에 이르는 전이 금속 대응 원소들과 어느 정도 외형적인 유사성을 보인다.

Ⓖ  대부분의 전이 금속은 비금속적 화학 성질로 알려져 있으며, 이는 특히 5주기와 6주기, 5족에서 9족의 이미지에서 잘 드러난다. 그럼에도 불구하고 이들은 금속의 특징인 비교적 높은 전기 전도도 값을 갖는다.

Ⓗ  전이 금속(또는 d-구역 금속)은 양이온 또는 음이온을 형성하는 능력 측면에서 (i) s 및 f-구역 금속과 (ii) p-구역 원소 사이의 중간적인 전기화학적 성질을 더 보여준다.

Ⓘ  p-구역은 1주기에서 4주기 사이에서 일반적으로 금속과 비금속으로 인식되는 원소들 사이에 비교적 뚜렷한 경계를 보여준다. 5주기와 6주기에는 해당 분류를 인정하는 저자들에 의해 준금속으로 인식되는 원소들(안티모니와 텔루륨)과 덜 일반적으로 그렇게 인식되는 원소들(폴로늄과 아스타틴)이 포함된다.

Ⓙ  Stein은 1987년에 B, Si, Ge, As, Sb, Po, Te, At, Rn으로 구성된 p-구역의 한 영역을 준금속 원소가 차지하고 있음을 보여주었다. 주기율표 이미지에서 이 원소들은 p-구역을 가로지르는 점선의 오른쪽 또는 위쪽에서 발견된다.

Ⓚ  이미지에 표시된 103개 원소 중 단 10개만이 음이온을 형성하며, 이들은 모두 p-구역에 있다. 비소, 5개의 16족 원소(산소, 황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄), 그리고 4개의 할로젠(플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘)이다.

Ⓛ  음이온만 형성하는 원소는 산소와 플루오린으로 국한된다.

 추가 참고 사항 

 같이 보기 
 수용액
 수용액 내 금속 이온

 서적 
 
 
 
 
 
 
 

 각주 

분류:주기율표