화학반응의 종류 : 침천반응

오늘은 화학반응 중에서도 화학자들이 가장 많이 애용하는 분류 방법을 사용해 보도록 하겠다. 용액 반응의 종류를 따로 보자면 크게 3가지로 나눌 수 있다. 침전 반응, 산-염기 반응, 산화-환원 반응으로 나눌 수 있다. 화학반응들은 이 세 가지 반응 종류 중 어느 하나에 속한다. 오늘은 그중에서도 침전반응에 관한 설명을 이어가 보겠다. 우리는 서로 다른 두 용액을 섞으면 때때로 불용성 물질이 만들어진다. 불용성 물질이란 물이나 액체에 녹지 않는 성질을 지닌 물질을 말하는 것으로 이러한 물질이 형성되어 용액에서 분리된다. 이러한 반응을 침전 반응이라 이름 붙이며, 생성된 고체인 불용성 물질을 바로 침전이라고 부른다. 예를 들어보면 크로뮴산 포타슘 수용액과 질산바륨 수용액을 서로 섞으면 노란색의 불용성 고체가 생성된다. 이러한 화학적 변화를 어떻게 알아볼 수 있을까? 이 두 용액이 반응하여 생성되는 이러한 노란색 고체의 정체는 무엇일까? 이 고체의 정체를 알아내는 가장 좋은 방법은 반응물을 통해 만들어질 수 있는 생성물이 어떠한 것인지를 알아보는 것이다. 이를 위해서는 두 반응물의 성질과 구성 물질에 관해 알아보아야 한다. 그러면 성질에 관해 알아보자.



질산바륨의 화학식을 보면 질산바륨이 수용액 상태에서 물에 용해되어 있음을 알 수 있다. 질산바륨은 물에서 두 이온으로 나뉘게 되며 여기서 중요한 점은 고체 이온이 포함된 고체 물질을 물에 넣게 되면 대부분 이온이 분리되어 서로 독립적으로 행동한다. 선전해질, 약전해질, 비전해질 글에서도 언급했었지만 서로 독립적으로 행동하게 된다. 즉 질산바륨은 수용액에서 분자의 상태로는 존재하지 않고 분리된 이온들만이 존재하는 것이다. 



마찬가지로 크로뮴산 포타슘 또한 두 가지 이온으로 나뉘게 되며 이렇게 되면 네 가지 각기 다른 이온들이 서로 간의 결합을 통해 불용성 고체를 만들어내는 것이다. 하지만 이러한 4가지 이온들이 어떻게 반응하여 어떠한 생성물을 만들어낼지 예측하는 것은 학생 입장에서 생각하기에는 매우 머리아프고 유추해내기 힘든 문제이다. 심지어 경험이 풍부한 화학자라 할지라도 새로운 반응을 맞닥트리게 되면 어떠한 경우가 나타날지 유추해 내기가 힘들다. 따라서 가능한 모든 경우의 가짓수를 생각해 내고 이에 대한 가능성을 모두 따져보아야 한다. 실험을 통해 실제로 어떠한 결과가 나오는지도 알아낼 수 있지만 실험을 하기 이전에 지식을 통해 가능한 가짓수를 모두 따져보고 실험을 진행하는 것이 현명하다는 생각이 든다.



그래서 우선 생성물을 예측하기에 도움이 되는 지식을 추가해 보자면, 첫 번째로 이온들끼리 고체 화합물을 생성시킬 때, 그 화합물은 전하를 가지지 않는다. 따라서 양이온은 양이온끼리 결합이 불가하고 양이온과 음이온끼리만 결합이 가능하다는 것이다. 두 번째로 대부분의 이온성 물질은 한 종류의 양이온과 한 종류의 음이온을 포함하는 경우가 대다수이다. 예를 들면 NaCl, KOH 등이 있다. 이러한 배경지식을 통해 위에 예시를 들어준 크로뮴산 포타슘과 질산바륨 간의 반응을, 가능한 가짓수는 총 4가지가 나오게 된다. 



지금까지 둘 사이의 반응 생성물의 결과만 알아보았다. 그런데 이러한 노란색 고체 말고도 남은 이온이 존재하는데 이러한 이온들은 어떻게 되는 것일까? 답은 간단하다. 용액의 속에 여전히 존재하고 있다. 한마디로 이온들이 용액 내에 녹은 채로 계속 존재한다는 것이다. 이 경우는 물에서 존재할 경우만을 나타내는 것이고 만약 수용액 상태가 아닌 고체 상태로 변한다 치면 두 이온을 결합하여 또 다른 물질을 만들어 낼 수 있다.


우리는 위의 설명과 예시를 통해 생성물을 알아내기 위해서는 화학적 이론( 고체의 전하는 0이다.)과 몇 가지 화학적 사실들을 이용하였다. 이러한 개념들은 화학을 공부하기 위해서는 매우 필수적으로 요구되는 지식이다. 따라서 주요 사실들을 기억하고 이를 사용하는 것이 중요하다. 침전 반응에서 형성되는 고체 생성물이 무엇인지 예측하기 위해서는 일반적인 이온 결합 화합물들의 용해도에 대한 이해도가 매우 중요하다. 이러한 정보를 이용하면 비교적 쉽게 두 성분 간의 결합이 어떠한 결과로 나오는지 예측이 가능하다.



물에 대한 용해도를 예측하는 규칙에 관해 알려주겠다. 첫 번째로 대부분의 질산염은 물에 녹는다. 두 번째로 대부분의 알칼리 금속 이온과 암모늄 이온을 포함한 염은 물에 녹는다. 세 번째로 대부분의 염화물, 브로민화물, 아이오딘화물들은 대부분 물에 녹는다. 물론 예외는 있다. (Ag+,Pb2+ 등) 네 번째로 대부분의 수산화물은 물에 녹는다. 중요한 예시로는 NaOH와 KOH가 있다. 마지막으로 두 번째로 말한 경우의 양이온이 포함된 염을 제외하고, 대부분의 황화, 탄산, 크로뮴산, 인산염은 약간 녹는다. 여기서 약간 녹는다는 의미는 녹는 고체의 양이 적다는 것을 의미한다. 이 말은 고체가 사람의 눈에 전혀 녹지 않는 것처럼 보인다는 뜻과도 같아 불용성과 같은 의미로 사용되기도 한다.



오늘은 물질 간을 반응으로 어떠한 생성물이 만들어지며 이를 유추하는 방식과 남은 이온들의 행방에 관해 설명하였다. 위의 설명해 둔 용해도 규칙을 이용하기 전에, 가장 중요한 것은 반응 전에 용액에 들어있는 실제 성분들이 무엇인지 알아내고 이들 성분이 서로 어떠한 반응을 일으키는가를 알아낸 후에 사용하기를 권한다. 이를 알아보지 않고서 사용하게 된다면 규칙이 무용지물이나 마찬가지이기 때문에 최소한 반응물의 각 성분은 알아내고서 이용하는 게 나을 것이다.