이온화

이온화(ionization)는 전하적으로 중성인 분자를 양 또는 음의 전하를 가진 이온으로 만드는 조작, 또는 현상으로, 전리(電離)라고도 불린다.

주로 물리학의 분야에서는 하전(荷電)이라고도 하며, 분자(원자 혹은 원자단)가 에너지(전자파나 열)를 받아서 전자를 방출하거나, 반대로 밖에서 얻는 것을 가리킨다. (플라스마 또는 전리층을 참조) 또한, 화학의 분야에서는 해리라고도 하며, 전해질(소금)이 용액 속이나 융해 시에 양이온과 음이온으로 나뉘는 것을 가리킨다.

원자 혹은 분자에서 전자를 잃게 되면 원자나 분자는 양전하를 나타내며, 전자를 얻게 되면 음전하를 띠게 된다. 양전하를 띤 이온을 양이온(cation)이라 하며, 음전하를 띤 이온은 음이온(anion)이라 부른다. 양이온을 형성하기 위해서는 원자나 분자에서 전자가 분리되기 위한 에너지가 필요하며, 이를 이온화 에너지라 한다. 음이온의 경우 반대로 일정량의 에너지를 방출하며 음이온이 형성된다.

일상생활에서 볼 수 있는 대표적인 이온화 과정은 형광등과 같은 방전램프 내에 포함된 기체들이 전자를 얻어 이온화되는 과정이 있으며, 방사선 치료, 질량분석법(mass spectrometry) 등과 같은 측정과학에서도 널리 사용된다. 대기과학에서 가장 중요한 이온화 과정은 전리층의 형성으로, 태양에서 방출되는 전자기복사 및 고에너지 입자들이 지구대기를 통과하는 과정에서 지구대기를 구성하는 기체분자나 원자들과 충돌하여 이들을 이온화시켜 형성한다.

개요

이온화 과정의 예를 들어보면, 어느 중성원자가 원자(1개 혹은 몇 개의 가전자)를 방출해서, 다른 중성원자가 이것을 받아들이고, 전자의 이동이 일어난다. 전자를 받아들인 원자는 음전하로 대전(帶電)하여 음이온이 되고, 전자를 방출한 쪽은 양전하로 대전하여 양이온이 된다. 이 때, 두 개의 이온이 얻은 전하량은, 이동한 전자가 가진 전하량(전기소량의 정수배)과 같으며, 부호는 반대로 되기 때문에 합은 0이다.

원자가 전자를 방출하려면, 원자핵이 전기력에 의해서 전자를 전자궤도에 속박시키는 힘에 필적하는 에너지가 필요하며, 이것을 이온화 에너지라고 부른다. 전자는 광자를 흡수하거나, 원자끼리의 충돌에 의해 에너지를 받아들여서 들뜬 상태가 되고, 이온화 에너지를 넘으면 궤도를 벗어나서 다른 원자의 궤도로 이동한다. 다른 원자의 전자궤도에 들어간 전자는, 들뜬 만큼의 에너지를 방출해서 안정화된다.

이온화되기 쉬움

용액 속에서의 이온화 경향은, 원소에 따라 이온화가 되기 쉬움에 차이가 있는 것을 보여준다. 원자의 전자구조에 따라 안정화의 정도가 다르기 때문에, 들뜬 상태가 되는 데에 필요한 이온화 에너지 값이나, 전자를 받아들일 때의 안정화 에너지인 전자친화력 값은, 원소의 종류나 이온화의 진행 상태의 다름에 따라 각각 다른 에너지 값을 가진다.

원자는 전자배치가 폐각(최외각이 가득참)이나 옥텟(최외각이 8개)일 때 가정 안정된다(반응하기 어려워진다). 중성원자에서 이것에 해당하는 것이 비활성 기체이며, 통상원자가 이온화될 때에 방출 또는 받아들이는 전자의 수는, 이온이 되는 것으로 안정된 배치가 성립되는 수이다. (전형원소의 경우)

이를테면, 알칼리 금속은 양이온이 되기 쉽고, 이온화 에너지도 작지만, 이것은 비활성 기체보다 전자가 1개 많기 때문에, +1가 이온이 되는 쪽이 안정되기 때문이다. 반대로 할로겐이나 칼코겐은 음이온이 되기 쉽지만, 이것도 비활성 기체보다 전자가 약간 적기 때문이다.

이온화 에너지

원자나 분자 혹은 이온의 전자는 입자의 핵들에 속박되어 있다. 하지만 이러한 전자들도 외부에서 에너지를 받는다면, 입자로부터 전자가 방출된다. 이렇게 전자가 방출되는데 필요한 최소한의 에너지를 이온화 에너지라고 한다.

중성원자의 전자가 원자로부터 탈출할 때, 가장 탈출하기 쉬운 원자는 가장 외곽에 있는 전자이다. 이런 전자가 원자에서 벗어나기 위해서 받아야 하는 에너지를 1차 이온화 에너지라 하는데, 이러한 1차 이온화 에너지는 원자 번호에 따른 주기적인 행동을 보인다. 원자 번호가 증가할 때, 대체로 1차 이온화 에너지는 증가하는 경향을 보이나, 비활성 기체에서 알칼리 금속으로 변할 때는 1차 이온화 에너지가 급작스럽게 감소한다. 이는 원자의 껍질 모형으로 설명된다. 알칼리 금속의 전자는 비활성 기체보다 전자껍질이 하나 더 있어, 핵으로부터 전자가 멀어져 쉽게 떨어진다. 즉, 이온화 에너지가 급락한다.

광학적 이온화(photoionization)

원자나 분자가 광자(photon)와의 상호작용에 의해 이온화되는 과정을 말한다. 광이온화가 발생하기 위해서는 이온화 에너지 이상의 에너지를 가지는 광자와의 충돌이 있어야만 하며, 그 이상의 에너지를 가질 경우라도 특정 원자나 분자가 광자를 흡수할 수 있어야만 한다. 입사되는 광자와 흡수하는 특성을 함께 고려하여 광이온화 단면적이라 한다.

열적 이온화(thermal ionization)

표면 이온화(surface ionization) 또는 접촉 이온화(contact ionization)라고도 불리며, 고에너지 표면에서 원자들이 탈착되면서 발생한다. 간단하게 이온소스를 만들기 위해 이용되며, 질량분석법이나 이온빔을 만들 때 이용된다. 원자질량 측정에 광범위하게 활용되고 있다.

전자적 이온화(electron ionization)

고에너지 전자들을 기체나 고체 상태의 원자나 분자와 반응시켜 이온을 만드는 과정으로 질량분석법에 이용된 최초의 이온화 기술 중의 하나였으며, 지금도 널리 이용되고 있다. 이 방법은 고에너지 전자들을 이용하므로 광범위한 분열(extensive fragmentation)이 발생하여 알려지지 않은 물질의 구조 결정에 도움을 얻을 수 있다. 분자량이 600 이하인 유기화합물에 가장 유용한 것으로 알려져 있으며, 열적으로 안정하면서 활성 물질의 탐지에도 이용될 수 있다.

화학적 이온화(electron ionization)

이온물질과의 화학적 반응에 의해 이온화가 이루어지는 과정을 말한다. 일반적인 과정은 우선 이온화가 비교적 용이한 반응성 물질을 전기적 이온화 과정을 통해 이온화시킨다. 이온화된 반응성 기체는 분석하고자 하는 물질과 화학적 반응을 통해 이온화가 진행된다. 화학적 이온화는 전자적 이온화에 비해 적은 에너지로 진행되며, 사용되는 반응물질에 따라 그 정도는 달라진다.

참고자료

• 〈이온화〉, 《위키백과》
• 〈이온화〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 이온
• 양이온
• 음이온
• 탈이온화

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