[안현정 선생님의 과학은 껌이다] Part 23. 산화 환원 반응

안녕하세요. 과학 교육 전문가 안현정입니다.
여러분들께서는 프랑스 파리의 상징적 건축물인 에펠탑이 고철장수에게 팔릴 뻔 했다는 이야기를 들어보신 적 있으신가요? 지금이야 많은 사람들의 사랑을 받고 관광명소로 자리잡은 에펠탑이지만 1889년 건립 당시만해도 파리 한복판에 흉물스러운 철근을 세우려 한다며 많은 시민과 예술가들에게 비판을 당했다고 합니다. 게다가 철로 이루어져 있는 만큼 녹이 슬어갈수록 철거를 하라는 하는 원성은 더욱 자자했다는데요!

이를 이용해 녹이 슨 에펠탑을 고철장수에게 팔겠다며 거액의 돈을 받고 도망간 희대의 사기꾼도 있었다고 합니다. 녹이 슬지만 않았더라도 고철장수들이 이 웃지 못 할 사기꾼의 이야기를 믿지는 않았을 텐데요, 왜 에펠탑은 가만히 있어도 녹이 슬게 되었던 것일까요? 오늘 시간 산화환원 반응과 더불어 재미있는 에펠탑 사기 사건도 함께 만나보겠습니다.

[산화란?]
물질이 산소를 얻는 반응을 말합니다.

[환원이란?]
물질이 산소를 잃는 반응을 말합니다.

[산화 환원 반응]
산화 반응과 환원 반응은 항상 동시에 일어납니다. 그렇기에 산화 환원반응이라고 부릅니다. 왜냐하면 물질은 없어지거나 새로 생겨나지 않기때문에 어떤 물질이 산소를 잃었다면 반드시 어떤 물질은 산소를 얻을 수 밖에 없습니다. 이러한 과정속에서 산화반응과 환원반응은 늘 함께 관찰할 수 있답니다.

++ 지식 PLUS
*산화제 : 반응에서 환원되면서, 다른 물질을 산화시키는 물질
*환원제 :반응에서 산화되면서, 다른 물질을 환원 시키는 물질

산화 환원반응 1- 구리의 산화 반응

1. 준비물 : 가열장치, 도가니, 구리가루, 점화기

2. 실험
1) 가열장치 위에 도가니를 올려놓고 구리가루 5g을 담아 준비해둔다.
2) 알코올램프에 점화기로 불을 붙여 구리가루를 가열시킨다.
3) 충분한 시간이 지난 뒤 알코올램프의 뚜껑을 닫아 불을 끄고 가열 전후로 구리가루의 변화를 관찰한다.

3. 실험 결과
: 붉은색의 구리가루가 검게 변한 것을 보아, 구리가 연소로 인해 산소와 결합하며 ‘산화 구리’ 라는 물질로 변한 것을 알 수 있다.

4. 정리
: 위 실험에서의 구리와 같이 산소를 얻는 반응을 산화 반응이라 부른다.

산화 환원반응 2 - 산화 구리의 환원 반응
1. 준비물 : 가열장치, 시험관, 받침대, 산화구리가루, 탄소가루, 고무관, 비커, 석회수, 점화기

2, 실험
1) 시험관 내에 산화구리가루와 탄소가루를 넣어 고무관이 연결된 고무마개로 닫는다.
2) 진열대 위에 시험관을 설치한 후 시험관 끝 쪽 구리가루와 탄소가루가 위치한 곳 아래에 가열장치를 준비한다.
3) 시험관에 연결된 고무관은 석회수가 들어있는 비커 안에 위치시킨다.
4) 가열장치에 점화기로 불을 붙이고 충분한 시간 두고 기다린다.
5) 실험결과를 관찰하기 위하여 먼저 석회수의 역류 방지를 위하여 석회수에 담긴 고무관을 제거하고 알코올 램프의 뚜껑을 닫아 불을 끈다.

3. 실험 결과
산화구리와 탄소가루를 넣어놓은 부분에서는 붉은색이 나타나는 것을 관찰 할 수 있다.
이를 통해 산화구리가 산소를 잃고 구리가 되었음을 알 수 있다.
무색투명한 석회수가 뿌옇게 흐려지는 것을 관찰 할 수 있다.
산화구리가 잃은 산소와 탄소가 결합하여 이산화 탄소가 되고, 그결과 석회수가 뿌옇게 흐려졌음을 알 수 있다.

4. 정리
: 위 실험에서의 산화 구리와 같이 산소를 잃는 반응을 환원이라 부른다. 산화구리가 환원 될때, 탄소는 산소와 결합하는 산화 반응을 띠게 되는데, 이처럼 산화와 환원은 동시에 일어나며 이를 산화환원의 동시성이라 부른다.

일상에서 만나는 산화 환원 반응
-- 산화 반응 --

[녹스는 에펠탑, 팔릴뻔 한 사연?]
빅토르 루스티그. 이 사람이 바로 에펠탑을 고철장수에게 팔아넘기고자 한 희대의 사기꾼입니다.
그리고 동시에 에펠탑의 산화반응을 누구보다도 잘 이해한 사람이기도 하지요. 여러분들도 알다시피 에펠탑은 철근으로 이루어져 있습니다. 철이라는 물질은 공기 중의 산소와 결합하여 산화철이 될 수 있는 가능성을 가지고 있지요. 비난 여론이 많았던 에펠탑 건립 당시, 관리자들은 에펠탑이 산화철로 산화되는 것을 방치해 두었고, 녹이 슬대로 슨 에펠탑의 모습을 보며 고철 장수들은 에펠탑이 철거되고 자신이 고철을 수거할 수 있다는 믿음을 가질 수 있었기에, 빅토르 루스티그의 말에 신뢰성을 가지게 되었다고 합니다. 결국 다방면으로 사기를 쳤던 빅토르 루스티그는 FBI에 의하여 수감되었고, 이 후 에펠탑은 산화되지 않도록 7년마다 600톤의 페인트칠을 칠하여 철이 공기중의 산소와 직접 첩촉하는 것을 막아두고 있다고 합니다.

[ 과일의 변심 ]
사과나 배를 예쁘게 깎아 접시위에 잠시 놔두었다가 다시 보니 갈색으로 변한 모습을 종종 발견하였을텐데요, 이또한 일상에서 만나볼 수 있는 산화 반응 중 하나입니다. 과일 안에 있던 과당이 공기중의 산소와 결합하여 산화하기 때문에 나타나는 현상입니다.

[연소]
물질이 빛이나 열을 내면서 산소와 빠르게 결합하는 반응을 연소라고 합니다. 여러분들이 흔히 생각하는 ‘어떤물질에 불이 붙는 것’이 곧 연소라는 반응이라고 볼 수 있습니다. 대부분의 연료는 연소하여 물과 이산화탄소를 발생시킵니다.

-- 환원반응--

[철의 제련]
철을 가공하는 장면을 생각해보면 자연스럽게 뜨거운 용광로의 모습이 떠오르고는 합니다. 왜 철을 가공할때에는 이렇게 뜨겁게 녹이는 과정이 필요한 것일까요? 사실상 자연에 존재하는 철은 대부분 산소화 결합한 ‘산화 철’의 형태로 존재한다고 합니다. 철과 산화철은 다른 물질이기 때문이 철광석 그대로 우리가 이용할수는 없습니다. 떄문에 산화철에서 산소를 분리해내는 과정이 필요하고, 이렇게 산화철에서 철을 분리하는 과정을 우리는 ‘철의 제련’이라고 부릅니다. 철의 제련 방법은 용광로에 철광석(산화철)과 코크스(탄소덩어리).석회석을 넣고 가열 하는 것입니다. 반응식을 통해 만든 산화 철의 환원은 다음과 같습니다.

* 코크스의 주성분인 탄소(C)와 산소 기체가 1:1로 반응하여 일산화 탄소(CO)가 만들어집니다.
* 위와같이 만들어진 일산화 탄소들이 산화 철을 철로 환원시킵니다.

[유물의 복원]
인류 문명의 발전 과정 중에 가장 커다란 변화를 가져온 것은 바로 철제도구를 시작한 시기라고 말해도 과언이 아닐 정도로 금속 도구는 우리네 삶에 많은 도움을 가져다 주었습니다. 때문에 철의 보급 시기 이후로 발견된 유물중 철제유물들을 많이 만나볼 수 있는데요, 철의 특성중 하나가 공기중 산소와 결합하는 ‘부식’이기 때문에 유물의 온전한 모습을 다시 만나보기 위해서는 복원 작업이 필요합니다. 부식상태와 어떤 유물이냐에 따라서 환원 작업은 여러가지 방법이 사용될 수 있는데, 작열 수소 환원법, 전기분해환원법 등등의 여러가지 환원 방법을 이용하여 산화철을 철로 바꾸어 유물의 원래 모습으로 복귀시키게 됩니다.

출처= 이투스me 안현정 강사
동아닷컴 교육섹션 정민아기자 mina@donga.com