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인류문명 발전의 견인차 노릇을 한 금속. 금속을 산화물로부터 추출하고, 다시 산화되는 것을 막기 위해 사람들은 수많은 방법을 생각해냈다. 금속의 산화, 환원 메커니즘을 살펴보자.

지구에 금속이 없다면 어떻게 될까? 인간이 이용하는 도구나 이를 생산하기 위한 설비는 대부분 금속으로 되어 있다. 금속이라는 재료가 없었다면 인간은 동물과 별 다름없이 자연 생산물에 의존하고 자연에서 얻어지는 동물의 가죽이나 식물로 몸을 가리고 다니면서 돌과 나무로 집을 짓고 사는, 원시적인 삶에서 벗어나기 어려웠을 것이다.

지구에 자연 상태로 존재하는 92가지의 원소 가운데 22종의 원소를 제외한 나머지는 금속 원소다. 인간은 이 금속 원소의 이용을 통해 문명을 발전시켜 왔다. 그런데 자연상태로 존재하는 원소의 대부분은 산소와 같은 비금속 원소와 결합한 형태의 산화물이기 때문에 순수한 형태의 금속을 얻어내는 과정이 필요하다.

금속 산화물로부터 금속을 얻어내는 화학적 과정을 환원이라고 한다. 금속이 포함된 원광석으로부터 금속을 환원시키는 방법에는 두 가지가 있다. 융용 전기 분해를 통해서 얻어내는 방법과 용광로 속에서 환원제와 반응시켜서 환원시키는 방법이 바로 그것이다. 그리고 금속을 추출하는 방법은 금속의 반응성과 밀접한 관련이 있다.

반응성 큰 금속은 전기분해로

금속 중에는 반응성이 큰 금속이 있다. 나트륨 마그네슘 알루미늄 등은 반응성이 큰 금속에 속한다. 이러한 금속은 산화되기는 쉽지만 환원되기는 매우 어렵다. 이러한 금속의 산화물로부터 금속을 분해시켜서 얻어내려면 매우 많은 에너지가 필요하다. 하지만 이러한 큰 에너지를 공급해 줄 수 있는 물질(환원제)은 흔하지 않다. 따라서 이러한 물질을 분해하기 위해서 전기에너지를 공급하는 방법을 사용한다.

지구에서 가장 풍부한 금속인 알루미늄의 환원을 예로 들어 보자. 알루미늄의 원광석인 보크사이트에는 알루미늄의 산화물(${Al}_{2}$${O}_{3}$), 모래 (Si${O}_{2}$), 철의 산화물 등이 포함돼 있다. 우선 모래, 철산화물 등 불순물을 제거하면 알루미늄의 산화물만 남는다. 알루미늄의 산화물은 고체 상태에서는 전류가 흐르지 않지만 2천45℃로 가열해 액체로 만들면 양이온(${Al}^{3+}$)과 음이온(${O}^{2-}$)이 이동할 수 있기 때문에 전류가 흐른다.

그러나 이렇게 높은 온도로 가열하기 위해서는 비용이 많이 들기 때문에 좋은 전해질인 ${Na}_{3}$Al${F}_{6}$를 첨가하면 9백50℃ 정도에서도 전기 분해를 할 수 있다. ${Al}^{3+}$는 (-) 전극으로 이동하여 외부 전극에서 공급된 전자를 얻어서 알루미늄으로 환원되며, ${O}^{2-}$는 (+) 전극으로 이동하여 전자를 잃고 산소 기체가 된다(그림 1).

(-) 극의 환원 반응 ; 2 ${Al}^{3+}$ + 6${e}^{-}$ → 2 Al
(+) 극의 산화 반응 ; 3 ${O}^{2-}$ + 6${e}^{-}$ → 3/2${O}_{2}$

한편 철, 납, 구리 등은 반응성이 약한 금속에 속한다. 반응성이 약한 금속은 산소와 비교적 약하게 결합하고 있기 때문에 금속의 산화물로부터 이들 금속을 얻어내기 위해 적은 에너지를 공급하면 되므로 알루미늄을 전기분해하는 것보다 적은 비용이 든다.
 

철의 환원을 예로 들어 보자. 철이 포함된 대표적인 원광석은 적철석이다. 적철석은 철의 산화물(${Fe}_{2}$${O}_{3}$), 모래 등을 포함한다. 적철석을 환원시키기 위하여 코크스(C)와 석회석을 섞은 후에 용광로 속에서 가열한다. 용광로 속에서 일어나는 화학반응은 다음과 같이 진행된다.

코크스는 용광로속에서 산소와 반응해 일산화탄소로 변하며 일산화탄소는 산화철로부터 산소를 빼앗아 가는 환원제로 작용한다. 이는 철이 산소와 결합하는 힘이 일산화탄소가 산소를 빼앗아 가는 힘보다 약하기 때문에 가능하다. 또한 함께 넣어준 석회석은 적철석 속의 모래와 반응하여 밀도가 낮은 슬랙을 형성하므로 불순물을 제거하는 역할을 한다(그림 2).

3CO+${Fe}_{2}$${O}_{3}$ → 2Fe+3${CO}_{2}$
 

어느 금속이 산화되기 쉬운가

금속 반응성의 서열을 정하기 위해 물과 금속과의 반응을 알아보자. (그림 3)과 같이 찬물, 더운물, 고온의 수증기 등과 금속의 반응을 관찰한 결과가 (표 2)에 있다.
 

물은 수소와 산소가 결합되어 있는 물질이다. 금속이 물과 반응하는 것은 금속이 수소보다 산소와 강력히 결합하려는 성질 때문이다. 금속마다 산소와 결합해 산화되려는 반응성의 크기가 다르기 때문에 물과의 반응이 다르게 나타나는 것을 알 수 있다.
 

그런데 구리가 고온의 수증기에서도 반응을 일으키지 않는 이유는 무엇일까? 이는 수소가 구리보다 산소와 강력하게 결합하려는 성질이 있기 때문이다. 이에 대해서 좀더 알아 보기 위하여 구리와 산소가 결합하고 있는 구리의 산화물에 수소를 통과시켜 보자. 이 경우에 수소가 산화구리(CuO)에서 산소를 빼앗아 물을 생성한다. 수소를 포함시켜서 위에서 관찰한 금속을 반응성의 크기로 나열하면 다음과 같다.

칼륨 <; 나트륨 <; 마그네슘 <; 철 <; 수소 <; 구리

위에서 살펴본대로 금속은 산소와 결합해 금속의 산화물로 되려는 성질을 공통적으로 가지고 있다. 금속으로 된 도구나 장치가 산화되면 금속의 성질을 잃게 되므로 심할 경우 사용할 수 없게 된다. 인간이 금속을 이용해 온 이래 금속이 산화되는 것을 방지하기 위해 많은 노력을 기울여 왔다. 금속의 산화를 효과적으로 방지하기 위한 방법에는 어떤 것이 있는지 알아보자.

금속에 기름을 칠하면 금속의 산화를 방지할 수 있다. 금속의 표면에 형성된 기름막이 금속과 공기 중의 산소가 접촉하는 것을 방지하므로 금속의 산화를 막는다. 금속의 표면에 페인트를 칠하는 것도 마찬가지의 원리로 산화를 방지할 수 있는 방법이다.

사람이 인위적으로 기름이나 페인트칠에 의하여 금속 표면을 보호하는 것과는 달리 자연적으로 표면을 보호하는 막이 생기는 경우도 있다. 이러한 예로 구리와 알루미늄을 들 수 있다. 구리로 된 지붕은 얼마 후 표면이 녹청색으로 변하는 데 이 녹청의 막은 더 이상 구리의 내부가 공기에 의해 산화되는 것을 방지해준다. 녹청의 막은 공기 중의 산소와 이산화탄소가 구리와 반응한 결과 형성된 물질이다. 또한 공기에 노출된 알루미늄의 표면에 생성되는 산화알루미늄의 막은 알루미늄을 매우 안전하게 보호한다.

도금은 이와는 다른 방법에 의해 금속의 산화를 방지하는 방법이다. 도금은 내부의 금속이 산화되는 것을 방지하기 위해 표면에 다른 금속을 입히는 과정을 말한다. 도금에는 두 가지의 방식이 있다. 그 한 가지는 산화되기 어려운 금속을 도금 처리하여 내부의 금속이 산화되는 것을 방지하는 것이며, 다른 하나는 산화되기 쉬운 금속을 도금 처리하여 내부의 금속이 산화되는 것을 방지하는 방식이다.

먼저 산화되기 어려운 금속을 도금할 경우에 대하여 알아보자. 그 예로 철로 만들어진 통조림 깡통의 내부를 주석으로 도금한 경우가 있다. 주석은 철보다 안정한 금속으로 산이나 공기에 산화되기 어려운 금속이다. 주석이 내부의 철이 산화되는 것을 방지한다. 산화되기 쉬운 금속을 도금하는 예로 아연 도금을 예로 들 수 있다. 아연은 철보다 산화되기 쉬운 금속이므로 아연이 산화되는 동안에는 철이 보존된다.

두가지 방식에는 모두 장단점이 있다. 주석 도금의 경우 주석이 산화되지 않는 한 내부의 철은 산화되지 않는다. 그러나 일단 도금에 흠이 약간만 생겨도 내부의 철은 도금 이전보다 빠른 속도로 산화된다. 그 이유는 반응성이 다른 두 금속이 접촉해 있을 경우에 전지를 형성하기 때문에 반응성이 약한 금속이 매우 빠른 속도로 산화되기 때문이다.

이에 비하여 아연 도금의 경우는 약간의 흠이 생겨도 아무런 문제가 없다. 표면에 도금한 아연이 철보다 산화 되기 쉬운 금속이기 때문에 표면의 금속이 완전히 산화 되어 없어질 때까지 철의 산화를 방지할 수 있다는 이점이 있다. 반면에 도금한 아연은 쉽게 산화되기 때문에 영구적으로 철을 보호할 수 없다.

땅속에 묻힌 탱크나 파이프는 습기에 의해 산화되기 쉽다. 이런 경우에 금속의 산화를 방지할 목적으로 철 탱크에 산화되기 쉬운 금속인 마그네슘을 매달아 놓는 경우가 있다. 두 금속이 접속해 있으면 전지를 형성하기 때문에 산화되기 쉬운 마그네슘이 음극을 형성해 산화반응이 진행되고, 산화되기 어려운 금속인 철 탱크에서는 환원 반응이 진행되므로 철 탱크를 보호한다(그림 4).

Mg → ${Mg}^{2+}$ + 2${e}^{-}$
${Fe}^{2+}$ + 2${e}^{-}$ → Fe
 

■ 함께 생각합시다

지연이는 철이 녹스는 원인을 알아보기 위해 못을 그림과 같이 서로 다른 환경에 두고 관찰하였다. 지연이의 관찰 설계로 볼 때, 지연이가 철이 녹스는데 영향을 주리라고 예상한 것은?

해설
A, B는 못이 공기와 수증기와 접촉할 수 있는 환경이다. 반면 C는 물과, D는 공기와만 접촉하도록 꾸몄다. 이러한 실험 설계로 미루어 지연이는 공기와 물이 철이 녹스는 원인이라고 생각했다. 이와 같이 철을 디른 환경에 방치할 경우 C와 D에서 철은 거의 녹슬지 않으나, A에서는 약간의 녹이 생기고 B에서는 많은 녹이 생긴다. 물과 공기가 함께 존재하는 환경에서 철이 녹슬기 쉽기 때문이다.

답: 물, 공기