1족: 알칼리 금속
1족에는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs)이 있습니다. 물과 반응해 알칼리(물에 녹는 염기)를 만들기 때문에 알칼리 금속이라고 부릅니다.
- 바깥 전자 1개: 전자 배치가 ns¹로 끝납니다(Na: 2, 8, 1).
- 이 전자를 쉽게 잃어 M⁺ 이온이 되므로, 화합물은 이온 결합 물질입니다.
- 무릅니다: 나트륨은 칼로 자를 수 있습니다. 막 자른 면은 반짝이지만 공기 중에서 곧 흐려집니다.
- 밀도가 작습니다: Li, Na, K는 물에 뜹니다.
- 녹는점이 낮고, 아래로 갈수록 더 낮아집니다.
족 내려갈수록 나타나는 경향
원자의 크기가 커지면 바깥 전자가 원자핵에서 더 멀어져 약하게 붙잡힙니다. 이온화 에너지는 작아지고 반응성은 커집니다. Li은 물과 얌전히 반응하고, Na은 거품을 내며, K은 연보라 불꽃을 내며 불이 붙습니다.
공기와 물에 반응하기 때문에 Na과 K은 등유나 파라핀 기름 속에 보관합니다.
나트륨의 반응
물과의 반응
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. 나트륨은 물에 뜨고, 반응열 때문에 녹아 작은 공이 되며, 거품을 내며 돌아다닙니다. NaOH는 알칼리이므로 페놀프탈레인 한 방울을 떨어뜨리면 분홍색이 됩니다.
산소와의 반응
- 실온에서 천천히: 4Na + O₂ → 2Na₂O (산화나트륨, 흰색).
- 공기가 충분한 곳에서 태우면: 2Na + O₂ → Na₂O₂ (과산화나트륨, 옅은 노란색).
둘 다 물과 반응합니다. Na₂O + H₂O → 2NaOH. 과산화나트륨은 산소도 내놓습니다. 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑, 그리고 이산화탄소와는 2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂. 그래서 Na₂O₂는 잠수함이나 호흡 장비에서 산소를 공급하는 데 쓰였습니다.
염소와의 반응
2Na + Cl₂ → 2NaCl (소금). 이때 밝은 노란 불꽃이 납니다.
탄산나트륨과 탄산수소나트륨
| Na₂CO₃ (물을 포함하면 세탁소다: Na₂CO₃·10H₂O) | NaHCO₃ (베이킹소다) | |
|---|---|---|
| 용해도 | 더 잘 녹음 | 덜 녹음 |
| 수용액 | 꽤 강한 염기성 | 약한 염기성 |
| 가열하면 | 분해되지 않음 | 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑ |
| 산과 반응 | Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂ | NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂ (더 빠름) |
| 쓰임 | 유리, 비누, 센물 무르게 하기 | 제빵, 제산제, 소화기 |
둘을 구별하려면 각각 고체를 가열하고, 나오는 기체를 석회수에 통과시킵니다. NaHCO₃만 석회수를 뿌옇게 만듭니다. 둘은 서로 바뀔 수도 있습니다. Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NaHCO₃.
불꽃 반응과 1족 이웃 원소들
불꽃 반응
깨끗한 백금선이나 니크롬선을 염에 묻혀, 뜨겁고 거의 색이 없는 불꽃에 대어 봅니다. 열을 받으면 전자가 더 높은 에너지 준위로 올라가고, 다시 내려올 때 정해진 색의 빛을 냅니다.
- Li: 진한 빨강 · Na: 밝은 노랑 · K: 연보라(나트륨의 노란색을 가리려면 푸른 코발트 유리를 통해 봄) · Ca: 벽돌색 · Ba: 연한 초록 · Cu: 청록색.
불꽃놀이에도 이 색들을 씁니다.
2족과 알루미늄 간단히 보기
마그네슘과 칼슘(2족)은 바깥 전자가 2개이고 M²⁺ 이온이 되며, 1족보다 반응성이 작습니다. 물에 녹은 Ca²⁺와 Mg²⁺ 때문에 물이 단단해집니다(센물). 센물에서는 비누가 엉겨 찌꺼기가 생깁니다. 일시적 센물(탄산수소염 때문)은 끓이면 없어지고, 영구적 센물(황산염, 염화물 때문)은 세탁소다나 이온 교환으로 없앱니다.
알루미늄(13족)은 Al³⁺가 됩니다. 알루미늄의 산화물과 수산화물은 양쪽성이라서 산과도 염기와도 반응합니다. 예: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O, Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].
생물 속에서의 역할
Na⁺와 K⁺는 신경 신호를 전달하고 몸의 수분 균형을 조절합니다. Ca²⁺는 뼈와 이를 만들고, Mg²⁺는 엽록소의 한가운데에 있습니다. 바나나와 코코넛 워터에는 칼륨이 많습니다.
집에서 해 보기
컵에 베이킹소다 한 숟갈을 넣고 레몬즙이나 식초를 부어 CO₂가 보글보글 나오는 것을 보세요. 그리고 (어른과 함께) 가스 불꽃에 소금 한 꼬집을 뿌려 나트륨의 노란색을 찾아보세요.
핵심 공식과 정의
- 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑ (M = Li, Na, K…)
- 4Na + O₂ → 2Na₂O; 2Na + O₂ → Na₂O₂
- 2Na₂O₂ + 2H₂O → 4NaOH + O₂↑
- 2NaHCO₃ →(heat) Na₂CO₃ + H₂O + CO₂↑
- 불꽃 색: Li 빨강, Na 노랑, K 연보라, Ca 벽돌색, Ba 초록, Cu 청록
풀이 예제
1. 칼륨은 왜 나트륨보다 물과 더 격렬하게 반응할까요?
K은 Na보다 전자 껍질이 하나 더 많아서 바깥 전자가 원자핵에서 더 멀고 안쪽 전자에 더 가려집니다. 그래서 전자를 더 쉽게 잃고, K이 더 빠르게 반응합니다.
2. 나트륨 4.6 g이 물과 완전히 반응합니다. 생기는 수소의 질량은 얼마일까요? (Na = 23, H = 1)
2Na → H₂. Na의 몰수 = 4.6 / 23 = 0.2 mol이므로 H₂는 0.1 mol입니다. 질량 = 0.1 × 2 = 0.2 g.
3. NaHCO₃ 8.4 g을 완전히 가열합니다. STP에서 생기는 CO₂의 부피는 얼마일까요? (NaHCO₃ = 84 g/mol, 22.4 L/mol)
2NaHCO₃ → CO₂. NaHCO₃의 몰수 = 0.1 mol이므로 CO₂는 0.05 mol입니다. 부피 = 0.05 × 22.4 = 1.12 L.
4. 흰 가루 두 가지가 Na₂CO₃와 NaHCO₃입니다. 둘을 구별하는 간단한 실험 하나를 말해 보세요.
각각 가열하고 나오는 기체를 석회수에 통과시킵니다. NaHCO₃는 CO₂가 나와 석회수를 뿌옇게 만들고, Na₂CO₃는 기체가 나오지 않습니다.
자주 하는 실수
- 나트륨과 물의 생성물을 Na₂O라고 쓰는 것. 생성물은 NaOH와 H₂입니다.
- Na₂O(산화물, O²⁻)와 Na₂O₂(과산화물, O₂²⁻)를 헷갈리는 것. 과산화물은 나트륨이 공기가 충분한 곳에서 탈 때 생깁니다.
- Na₂CO₃를 가열하면 CO₂가 나온다고 말하는 것. 분해되는 것은 NaHCO₃뿐입니다.
- 1족에서 아래로 갈수록 반응성이 줄어든다고 생각하는 것. 금속은 바깥 전자를 더 쉽게 잃기 때문에 반응성이 커집니다.