알칼리금속은 생활 속에서 매우 유용하게 쓰인다. 그런데 의외로 잘못 알고 있는 지식들이 많다. 알칼리금속의 특성과 생활 속의 재미있는 응용사례들을 함께 살펴보자.
세상에는 물보다 가벼운 금속이 있으며, 물과 만나면 폭발하는 금속도 있다. 또 공기 중에 내놓기만 하면 녹스는 금속도 있다. 그것은 바로 '알칼리금속' 이다. 금속은 깨끗한 상태라면 금속광택이 나고 전기전도성이 있어야 한다. 또 전성과 연성이라는 특징을 가지고 있어야 한다. 알칼리 금속은 과연 이러한 성질을 가지고 있을까.
알칼리금속 잘라보기
먼저 알칼리금속 중에서 리튬, 나트륨, 칼륨을 준비해서 겉보기 성질을 관찰해 보자. 리튬은 기름 같은 물질(광물유) 속에 둥둥 떠 있다. 한눈에 가벼운 금속임을 알 수 있다. 표면은 검은 색으로 보이지만 산화되지 않은 부분에서 은백색 광택을 엿볼 수 있다.
리튬을 핀셋으로 꺼내어 샬레에 놓고 칼로 잘라본다. 잘 잘라지지 않지만 핀셋으로 꽉 잡고 칼로 힘있게 자르면 잘라진다. 그래도 안될 때는 잘 드는 가위를 사용하면 된다. 이렇게 자른 단면은 은백색 광택이 나며, 시간이 흐름에 따라 검은색으로 산화된다.
이번에는 금속나트륨을 관찰해보자. 나트륨은 리튬이 들어있는 광물유보다 훨씬 점성이 없는 액체 속에 들어있다. 이것은 공기 중의 습기와 반응하지 못하도록 하기 위해 공기나 수분이 녹아 들어가지 않는 액체 속에 담가 놓은 것이다.
나트륨의 첫인상은 고무 같다. 그렇게 느껴지는 이유는 고무처럼 색깔이 회색인데다 칼로 쉽게 잘라지기 때문이다. 나트륨을 자른 단면도 리튬과 마찬가지로 은백색 광택이 나며, 자른 후 곧바로 부옇게 흐려지기 시작해 얼마가지 않아 다른 표면처럼 고무색깔이 된다.
금속칼륨 역시 나트륨처럼 광물유나 물과 잘 섞이지 않는 헥산(hexane)에 넣어두는 것이 안전하다. 가끔 석유에 넣어두기도 하는데, 이때는 깨끗한 석유이어야 한다. 꺼내놓은 칼륨의 표면 상태는 나트륨의 회색보다 검다. 그리고 약간은 보랏색이 섞인 회색이다. 이 금속은 꺼내놓으면 자동적으로 끝부분이 물러질 정도로 약하다. 핀셋으로 누르면 잘라질 정도다. 만일 비오는 날처럼 습기가 공기 중에 많은 날이면 연기가 나면서 부분적으로 불꽃이 튀기도 한다.
칼륨을 자른 단면은 매우 빨리 산화하면서 검은 회색으로 변하기 때문에 금속광택을 보기 어렵다. 시간을 두고 금속광택을 보려면 작은 칼륨 덩어리를 알코올에 넣어 서서히 반응시키면 된다. 그러면 수소기체가 발생하면서 칼륨의 표면은 환원돼 은백색 광택이 난다.
알칼리금속이 알코올과 반응할 때는 물과 반응할 때보다 느리기 때문에 수소가 천천히 발생한다. 알코올과 알칼리금속의 반응성을 이용하면 실험하고 남은 알칼리금속을 잘 보관할 수 있다.
알칼리금속은 전기전도성이 있을까
알칼리금속은 겉보기에 금속처럼 보이지 않는다. 그런데 알칼리금속이 정말 금속이라면 전기전도성이 있을 것이다. 전기회로를 만들어 두 전극 사이에 알칼리금속을 끼고 전기전도성을 확인해봤다.
알칼리 금속들의 단면을 자르자마자 전극에 대면 꼬마전구에 환하게 불이 들어온다. 그러나 차츰 흐려지기 시작한다. 알칼리 금속은 반응성이 큰 물질이라서 단면이 빠르게 공기 중의 산소와 결합해 부도체로 변한다. 이것은 알칼리금속이 금속상태에서는 자유전자들에 의해 전하가 전달될 수 있지만, 일단 산화돼 자유전자들이 산소와 결합하게 되면 전하를 옮겨줄 운반체가 없어지기 때문이다.
알칼리금속은 물과 어떤 반응을 일으킬까
지금까지 알칼리금속이 가진 금속의 성질에 관해 알아봤다. 알칼리금속이 하는 여러가지 반응 중에서 가장 화려한 것이 물과의 반응이다. 리튬을 물에 넣으면 수소기체가 발생하면서 기포가 만들어진다. 그렇게 격렬하지는 않지만 상당히 활발한 움직임을 볼 수 있다. 리튬의 비중은 0.53이므로 물의 절반 정도밖에 안된다.
다음은 금속나트륨을 살펴보자. 실험할 때 주의할 점은 나트륨이 멀리까지 튈 수 있으므로 반드시 눈보호용 안경을 써야 한다. 나트륨을 작은 조각으로 자른 다음 휴지와 함께 들어 물표면에 올려 놓는다. 그러면 나트륨은 휴지가 젖어 들어가면서 서서히 물에 닿는다. 물과 닿자마자 나트륨은 미친듯이 비커의 물표면을 돌아다닐 것이다. 이때 페놀프탈레인 10방울 정도를 떨어뜨려 놓으면 나트륨이 돌아다니는 길을 따라 용액이 점점 붉어지는 것을 볼 수 있다.
손톱 크기만한 나트륨을 쓰면 폭발이 일어나 불꽃을 볼 수가 있다. 이때 만들어지는 불꽃의 색깔을 보면 어디선가 많이 본 듯한 느낌을 받을 것이다. 이 색깔은 바로 밤마다 길거리에서 보는 '나트륨등'과 같은 오렌지색이다.
칼륨 한조각을 잘라 물에 넣으면 바로 불꽃을 일으키며 폭발하는 반응을 볼 수 있다. 이 모습은 마치 작은 불꽃놀이를 보고 있는 듯한 착각이 들 정도로 매력적이다. 최초로 금속칼륨을 발견했던 영국의 과학자 데이비는 이 연보랏빛 색에 감동한 나머지 실험기구를 넘어뜨리는 줄도 모르고 이리저리 뛰어다녔다고 한다.
알칼리금속이 물과 반응하면 페놀프탈레인을 떨어뜨린 용액의 색깔이 붉게 변하는 것을 볼 수 있다. 페놀프탈레인 용액은 알칼리성 용액에서 색깔이 붉게 변하는 지시약이다. 그래서 이 용액이 알칼리성으로 변했음을 알 수 있다. 그런데 불꽃을 일으키며 타오르는 이유는 무엇일까. 그것은 알칼리금속이 물과 반응할 때 수소가 발생하기 때문이다. 이때 많은 반응열이 발생하기 때문에 발생한 수소와 공기중의 산소가 반응해서 폭발이 일어나게 된다. 이 과정을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
2M(고체) ＋ 2 H₂O(액체) ⇒ ${2M}^{+}$ ＋ ${2OH}^{-}$ ＋ H₂↑(기체)
오렌지색 나트륨등을 쓰는 이유
5-6년 전만해도 터널이나 도로변에는 푸른빛이 감도는 수은등이 주로 설치돼 있었다. 그런데 언제부터인가 대부분의 도시에서 가로등이 나트륨등으로 바뀌었다. 밤에 무슨 기분낼 일이 있을까. 이렇게 생각하는 사람도 있겠지만 그 안쪽엔 과학적인 근거가 있다.
야간운전을 하는 경우 밝은 조명보다는 빠르게 지나가는 차의 윤곽을 잡는 것이 더 중요하다. 나트륨등은 백열전구나 형광등과 달리 여러가지 파장의 빛을 내는 것이 아니라 한가지 파장의 빛을 낸다. 따라서 밝은 형광등보다 한가지 파장만을 내는 나트륨등이 고속주행하는 차의 윤곽을 더 잘 파악할 수 있다.
비누를 만들 때 흰색가루를 넣는 이유
폐식용유로 비누를 만들 때 흰색가루를 넣는다. 이때 넣는 흰색가루는 수산화나트륨이다. 비누는 기름때와 결합하지 않는 물을 연결지어 주는 역할을 한다. 식용유와 수산화나트륨이 반응하면 지방산나트륨염이 만들어져 물과 친한 부분과 기름과 친한 부분이 함께 만들어진다. 이것이 바로 비누가 때를 벗길 수 있게 하는 이유다.
비누칠을 한 세탁물이 물로 들어가면 올챙이 모양으로 생긴 비누분자들은 세탁물에 있는 때(기름 성분)에 기름과 친한 부분을 연결시키고, 나머지 물과 친한 부분은 바깥쪽 물분자와 연결되게 된다. 이 올챙이 모양의 비누분자들은 계속 흔들리다가 기름성분들을 둥그렇게 둘러싼 상태로 떨어져 나온다. 이런 과정이 거듭되면서 빨래는 세탁이 된다. 여기서도 알칼리금속 화합물은 대단히 중요한 역할을 한다.
알칼리 이온음료가 산성인 이유
시중에 나와있는 알칼리 이온음료들은 정말 알칼리성일까. 그것을 알아보기 위해 리트머스시험지로 찍어보면 푸른색 리트머스시험지를 붉게 만드는 것을 볼 수 있었다. 이 사실로 알칼리 이온음료는 알칼리성이 아니라 산성이라는 것을 알 수 있다.
알칼리 이온음료가 산성인 이유는 맛있는 청량음료를 만들기 위해 탄산을 많이 녹여 놓았기 때문이다. 그렇다면 왜 산성인데 알칼리 이온음료라고 부를까. 그 까닭은 의외로 간단하다. 우리가 알칼리 이온음료를 마시면 탄산 속의 이산화탄소가 다 빠져 나가고 알칼리 금속이온들이 체내로 흡수된다. 그래서 보통 음식을 산성과 알칼리성으로 나눌 때 먹기 전 음식의 산성도보다 우리 몸에 흡수됐을 때의 상태로 따지는 경우가 많다.
또 운동한 후 체내의 알칼리 금속이온들이 땀과 함께 빠져 나간 경우 알칼리 이온음료가 유익하다고 생각된다. 가만히 앉아서 공부만 하는 수험생들이 이 음료를 마시면 필요한 부분(알칼리 금속이온)이 아주 조금만 흡수되고 나머지는 그대로 몸밖으로 배출된다.
탐구활동
식품 속에 들어있는 알칼리 금속화합물은 왜 필요할까
오랫동안 식품을 보존하거나 혹은 음식의 맛을 내기 위해서 첨가물을 넣는 경우가 있다. 이중에는 알칼리 금속화합물들이 많다. 각 식품 속에는 어떤 첨가물들이 들어있으며, 넣는 이유는 무엇인지 조사해 보자.
준비물
우리가 즐겨먹는 과자들 중에 조사하고 싶은 것들, 노트, 필기도구, 약품사전 등
과정 및 토론
① 우리 가족이 먹는 식품을 구입하는 가게로 가서 식품의 상표에 표시돼 있는 재료명을 조사한다.
② 이 물질들의 이름을 약품사전에서 찾아보고 그 특성을 조사한다.
③ 위 방법으로 넣는 이유를 찾지 못할 때에는 각 식품제조공장에 전화를 걸어 문의한다.
④ 여기서 사용한 첨가물들 중에 알칼리금속이온이 들어있는 이유를 찾아본다.
⑤ 위에서 조사된 식품첨가물들은 안전할까? 그것을 알아보려면 어떻게 하면 좋을까?
⑥ 국가에서 식품첨가물을 전혀 사용하지 못하도록 한다면 어떤 일이 생길까?
