NOCHES 09/26 산화 환원 반응 강의 스크립트

안녕하세요, NOCHES 그리고 NOCHES PLUS 여러분.

오늘은 산화와 환원 반응에 대해 다시 복습해보는 시간을 갖겠습니다. 바로 시작할게요.

 

우리가 알고 있는 건 뭐죠?

=> 물질이 산소와 결합하는 것이 '산화'

=> 물질이 산소와 분리되는 것이 '환원'

이었죠. 하지만 이게 끝이 아니란 건 이제 아실 겁니다.

 

산화에는 다음과 같이 네 종류가 있습니다.

- 산소를 얻는 것

- 수소를 잃는 것

- 전자를 잃는 것

- 산화수가 증가하는 것

반대로 환원은 무엇일까요?

- 산소를 잃는 것

- 수소를 얻는 것

- 전자를 얻는 것

- 산화수가 감소하는 것

 

수소는 전자 한 개로 이루어져있으니 수소와 전자의 관계는 비슷하다고 보셔도 됩니다.

우리가 중학교 때 배운 내용을 응용해볼까요? 용어부터 정리하겠습니다.

 

일정 성분비의 법칙을 기억하시나요? 프루스트가 주장한 법칙으로, 화합물을 구성하는 각 성분 원소의 질량비는 항상 일정하다는 내용입니다.

 

예를 들어서, por ejemplo, 수소와 산소가 결합하여 물이 되는 경우는 1:8:9의 질량비를 이루고

우리가 조금 이따 배울 산화구리는 구리와 산소가 4:1로 만나서 형성됩니다. 이 부분은 시험에 나오지는 않지만, 모든 화학 변화의 기본이 되므로 반드시 개념을 알아두세요.

 

자, 그럼 본격적으로 산화와 환원에 대해 알아보겠습니다. 구리 조각이 있어요. 이걸 가열을 시켰더니 색깔이 검은색으로 변하면서 질량이 증가했습니다. 구리가 연소를 통해 산소와 반응하면서 산화되었어요. 그렇게 해서 산화구리가 만들어집니다. 질량은 왜 증가했을까요? 결합한 산소 만큼 증가했겠죠. 아까 일정 성분비의 법칙 기억하시죠? 공기 중에 산소가 무수히 많지만 구리와 반응할 수 있는 산소의 양은 정해져 있습니다.

 

화학식을 봅시다. 여기서 구리가 산소를 얻어 산화구리(Ⅱ) 로 산화되었다는 것을 알 수 있습니다. 자, 이 문장을 읽어볼까요? "산화와 환원은 항상 동시에 일어난다." 네, 잘하셨습니다. 그렇다면 여기서 구리가 산화구리로 산화된 것은 알겠는데, 그럼 뭐가 환원되었을까요? 당연히 산소가 환원되었겠죠. 이건 산소 그 자체의 반응이 아니라 전자를 얻으면서 생기는 환원 반응입니다. 이건 잠시 후에 다루도록 하죠.

 

우리가 뜨끈~하고 든든~한 국밥을 먹으려면 어떻게 해야 할까요? 가스불에 끓이죠. 도시가스는 메테인 가스를 주로 사용합니다. 여기서 중요한 건, 연소는 모두 산화 반응이에요. 여기서도 메테인의 탄소가 산소를 만나 이산화탄소로 산화되는 모습을 볼 수 있습니다. 어, 그럼 찾아야죠! 여기선 뭐가 뭐로 환원될까요? 생각해보세요.

 

네, 산소가 물로 환원이 되는 겁니다. 이것도 상당히 골때리는 내용이라 산화구리와 함께 뒤에서 다루겠습니다. 여기서 추가하자면, 환원되는 물질은 산화제라고 하고 산화되는 물질을 환원제라고 합니다. 좀 헷갈리죠? 여기서는 산소가 메테인을 산화시키므로 산화제라고 하고 메테인은 산소를 환원시키므로 환원제라고 합니다. 헷갈리지 않도록 하세요. 소화제를 먹으면 그건 음식물을 소화시켜주죠? 소화제 자체가 소화되는 게 아니에요. 그걸 생각하면 좀 더 쉽습니다.

 

다음 실험을 봅시다. 아까 구리를 연소시켜, 다시 말해 산화시켜 만든 산화구리를 가루로 만들어 탄소와 함께 섞어서 넣었습니다. 그리고 마개를 막고 가열을 했는데요, 가열 후 붉은 가루가 생긴 것을 볼 수 있습니다. 산화 구리가 산소와 분리되며 구리가 생성된 것입니다. 분리된 산소는 탄소와 결합하여 이산화탄소가 형성되었죠.

 

산화 구리가 산소를 잃어서 구리로 환원된 겁니다. 그렇다면 뭐가 산화되었겠죠? 네, 탄소가 이산화탄소로 산환되었습니다. 그렇다면 탄소는 환원제, 산화 구리는 산화제이지요. 다시 말씀드립니다만 산화가 되는 물질은 환원제, 환원이 되는 물질은 산화제라고 합니다. 어차피 시험에는 나오지 않으니 모르면 그냥 넘어가세요. 물론 알고 있으면 산화-환원 반응 이해에 훨씬 도움이 되긴 합니다.

 

환원 반응은 몇 가지 더 있어요. 산화제삼철, 즉 산화철 III을 일산화탄소와 섞고 가열하면 산화 철이 환원되어 철이 생성되고, 일산화탄소는 산화되어 이산화탄소가 생성됩니다. 일산화탄소의 화학식이 뭔가요? CO입니다. 탄소와 산소가 1:1의 개수비로 결합한 형태입니다. 이산화탄소는 산소가 2개이죠. 즉 산소의 비율이 더 높아졌으므로 산화가 되었다고 할 수 있습니다.

 

식물 세계에서도 마찬가지죠. 이산화탄소가 물과 함께 열에너지를 받으면 포도당과 산소가 만들어집니다. 이산화탄소는 포도당으로 환원되고, 물은 산소로 산화되는 겁니다. 조금 자세히 봅시다.

 

이산화탄소는 포도당으로 환원되고, 물은 산소로 산화됩니다. 그런데 이게 살짝 애매하죠. 우선 이산화탄소는 탄소 한 개에 산소 두 개로 이루어져있습니다. 탄소와 산소의 비가 1:2입니다. 그런데 포도당은 탄소 6개에 산소가 6개죠? 비가 1:1입니다. 따라서 산소의 비율이 감소했으므로 산소를 잃었다고 볼 수 있습니다. 따라서 이건 환원 반응입니다.

 

그러면 물은 대체 뭘까요? 물은 뭔가 애매합니다. 산소를 얻은...건가?

아까 슬라이드를 다시 보겠습니다. 산화가 될 때 반드시 전자 또는 수소를 잃는다고 했습니다. 고등학교 1학년 교육과정에서는 나오지 않지만, 이 때 물은 수소를 잃으면서 산화가 된다고 보시면 이해가 쉽습니다. 아니면 원래 산소에 수소가 섞여있었는데 산소 100%가 되니까 산소 농도가 높아져서 산화되었다..고 보셔도 되긴 할 것 같은데 어쨌든! 물이 산소로 산화된 것이라고 기억하시면 됩니다.

 

PPT를 예쁘게 만드는 게 상당히 귀찮군요. 선생님들께 박수를. 와아아아ㅏㅏ아

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자, 그림은 마그네슘의 산화와 산화구리(II)의 환원 반응을 모형으로 나타낸 겁니다. 마그네슘은 2족이죠. 원자가 전자 2개. 거기에 산소가 결합하면서 산소는 공유 결합을 해제하고, 옥텟 규칙을 만족시키기 위해 마그네슘의 원자가 전자 두 개를 뺏어옵니다. 그러면서 마그네슘은 산화마그네슘으로 산화됩니다. 이와 비슷하게, 산화구리는 이온 결합 상태입니다. 구리가 산소에게 이미 전자를 빼앗긴 상태죠. 그런데 여기서 구리 이온과 산화 이온이 분리가 됩니다. 그리고 산화 이온에 있던 전자 두 개를 구리 이온에게 다시 돌려주게 됩니다. 그럼 더 이상 구리는 이온이 아니죠. 금속인 구리로 돌아오게 됩니다. 그럼 산소는 옥텟규칙을 만족하지 못하죠. 왜냐? 원자가 전자가 6개 뿐이니까. 그래서 이 자리에 수소가 달라붙습니다. 그러면서 공유 결합을 통해 물이 형성되는데,

 

잘 들으세요. 질량이 크면 인력이 셉니다. 수소 원자보다 산소 원자가 당연히 질량이 커요. 대략 16배 더 무겁습니다. 그만큼 산소 원자는 끌어당기는 힘이 강합니다. 그러니까 사실상 수소와 전자를 공유하고 있지만, 공유 전자쌍이 수소보다 산소 쪽에 조금 더 가깝게 위치합니다.

 

이해가 잘 안 되나요? 지구와 태양 사이에는 서로 끌어당기는 힘이 존재합니다. 그런데 지구는 왜 태양을 중심으로 공전을 할까요? 서로 끌어당긴다면 둘의 거리의 중앙을 중심으로 공전해야 하지 않을까요? 그런데 그렇지 않답니다. 태양의 질량이 훨씬, 훨씬, 훨씬 크기 때문에 둘의 무게 중심이 태양의 중심과 거의 일치합니다. 그러니까 태양도 움직이긴 움직여요. 다만 너무 조금 움직여서 보이지 않을 뿐. 그래서 지구 혼자 도는 것 처럼 보이죠.

 

마찬가지입니다. 산소의 질량이 크기 때문에 전자, 즉 둘 사이의 중심이 산소 쪽으로 치우쳐 있는 겁니다. 그러면 산소 입장에서는 전자가 조금 더 가까우니 전자를 얻은 듯한 느낌이 들고, 수소 입장에서는 전자가 머니까 잃은 듯한 느낌이 들겠죠. 이런 경우에도 산소는 전자를 얻었다고 말하고, 수소는 전자를 잃었다고 말합니다. 실제로 얻거나 잃지는 않았는데도 말이죠.

 

이상을 정리하면 다음과 같습니다. 산화와 환원은 왜 항상 같이 일어날까요? 화학 반응을 해도 전자가 새로 생기거나 없어지지 않기 때문입니다. 산화가 일어나면 환원제, 즉 산화가 일어나는 물질은 반드시 전자를 버리게 되어있고 산화제, 즉 환원이 일어나는 물질은 반드시 그 전자를 받아야 합니다. 그렇기 때문에 산화와 환원은 항상 같이 일어난다고 하는 겁니다.

 

사실 산화와 환원이란 개념은 생각보다 매우 복잡합니다. 표면적으로는 산소와 결합하고 떨어지는 것 뿐이지만 실제로는 항상 그런 과정 속에 수소나 전자와 결합, 분리가 숨겨져 있죠. 그래서 나중에는 분명히 화학식에 산소가 없는데 산화가 일어나는 참 답없는 상황도 발생합니다. 오늘 배운 걸 잊지 마세요. 퀴즈 풀어보시고, 궁금한 게 있으면 언제든지 질문해주세요. 수고하셨습니다.