[소방화학] 이온(ion)과 라디칼(radical)의 차이점 (feat.연쇄반응)

 

소방기술사,소방시설관리사,소방설비기사,소방설비산업기사,소방안전관리자 등...

 

소방관련 화학공부를 하시는 분들중에 한번 정도는

라디칼이라는 단어를 들어보셨을 겁니다.

 

연소의 4요소인 연쇄반응을 설명할 때

등장하는 개념인데요,

연소라는 개념과 헷갈릴 수도 있습니다.

 

따라서

오늘은 이 둘의 차이점에 대해서 알아보려고 합니다.

 

 

라디칼(혹은 자유 라디칼)은 하나 이상의 "짝지어지지 않은(=unpaired)" 전자를 

가진 원자(atm) 혹은 복합 화합물을 말합니다. 

 

라디칼을 이해하기 위해서는 원소의 원자가 혹은 공유결합 특성을 이해해야 합니다. 

 

 

예를들면 염소(Cl2)는 두 개의 염소 원자가 공유결합을 하여 분자의 안정된 상태인 Cl2로 존재합니다. 

 

결합하기 전 원자로서의 염소는 7족으로서 최외각 전자가 7개인 중성 상태인데,

Octet 룰을 만족 시키기 위해 염소 원자 두 개가 서로 하나의 전자를 공유하며

공유 결합을 이루어 안정된 염소 분자를 이루게 됩니다. 

 

하지만 외부에서 에너지를 받게되면 이 공유결합 상태의 염소 원자가 서로 결합하기 전의 상태인 7가의 원소 상태로 "순간적으로" 분리되 되는데 (우리는 이것을 라디칼인 Cl· 로 표기 합니다)  이 상태는 매우 불안정하며  활성이 높아 극히 짧은 순간만 존재할 수 있습니다. 

 

따라서 라디칼이란 '중성(neutral)' 상태로서 공유 결합에서 순간적으로 분리된 어떤 종(species)으로 이해할 수 있습니다. 

 

메탄(CH4)의 경우 4가인 탄소 원자에 수소 원자 4개가 탄소 원자와 공유 결합하여 Octet Rule을 만족시킨 안정된 화합물인데, 

 

메탄 라디칼의 하나인 CH3· 은 CH4에서 수소 원자 하나가 떨어져 나감으로써 탄소 측에 결합되지 않은 전자가 하나 존재하게 되는 상태입니다.

 

이온(ion)은 중성 상태인 원자의 최외각 전자 궤도에 전자가 '추가' 되거나 '감소'하여 

 

원자 혹은 화합물의 '중성 상태가 파괴된' 것으로서 양극성(positive) 혹은 음극성(negative)를 띠게 됩니다. 

 

즉 염소 이온의 하나인 Cl- 은 중성인 염소 원자 최외각 전자 7개에 1개의 전자가 더 추가되어 원자의 중성 상태가 깨진 상태로서 

 

이 경우 Cl-은 외각 전자가 8개를 이루므로 라디칼과는 달리 '안정된'  상태로 존재할 수 있습니다.

 

 

요약하면,

 

라티칼은 중성이며,  불안정 하여 매우 짧은 시간 동안만 존재하게 되고, 반응성이 크기 때문에 화학 반응의 '중간 생성물'로서 존재 합니다.  

반응 도중에 급랭(quenching)을 하여 라디칼을 분리할 수 있습니다.

 

이온은 극성을 지니며, 안정된 형태로서 이온결합의 형태로 화합물을 이룹니다

 

< 원문 : http://tip.daum.net/question/3668745 >

 

 

 

<사진출처 : http://study.zum.com/book/12614>

 

 

연소 및 소화의 관점으로 정리하자면

 

1. 가연물이 연소한다.

 

2. 연소하는 가연물에서 수소가스(H2)가 발생한다.

 

3. 수소가스 중에는 발생되는 열에 의해 열분해 되어 공유결합이 끊긴 수소라디칼 상태의 원자도 발생된다.

 

4. 이 수소라디칼은 전기적 중성이지만 산소라디칼과 공유결합하며 산화반응을 한다.

   이 과정에서 물을 생성하며 발광 및 발열반응을 한다.

 

5. 이러한 반응이 연쇄적으로 일어나 연소가 확산된다.

 

6. 따라서 연소시 발생되는 수소가스의 연쇄반응을 차단할 수 있는 소화방법을

   부촉매소화(억제소화)라고 한다.

 

 

 

수소의 연소는 다음과 같이 이루어진다. 

 

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

 

기체 수소 분자는 매우 반응성이 높고 공기중 수소 농도가 높을 경우 폭발하게 된다. 

수소 1몰의 발열량은 286KJ이다. 

수소만 따로 보관하는 것은 상관없지만, 수소 혼합기체를 상온에 두는 것은 위험하다.

 

< 원문 : http://www.happycampus.com/doc/12211184 >