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하나의 부품으로 여러 모양을 만들 수 있는 블록 장난감을 떠올려 봅시다. 어떤 블록을 어떤 순서로 잇느냐에 따라 비행기가 되기도, 공룡이 되기도 하죠. 원소도 마찬가지입니다. 주기율표를 채우고 있는 약 120개의 원소가 연결 방식에 따라 셀 수 없이 다양한 화합물을 만들어 냅니다. 이렇게 만들어진 화합물은 끊어지고 이어지며 다시 다른 화합물을 만들기를 반복합니다. 이것이 화학 반응입니다. 

지구가 탄생한 이후 다양한 생명체가 출현하고 진화하며, 인류가 현재의 문명을 이루기까지 이 모든 것은 다양한 화학 반응에 의해 일어났다고 해도 지나친 말이 아닙니다. 다양한 화학 반응 중 특히 산화 환원 반응은 생명체의 탄생과 인류의 역사에서 매우 중요한 역할을 했습니다. 

실제로 지구가 처음 만들어졌을 때 지구 대기에는 이산화탄소, 질소, 수증기 등이 대부분을 차지했으며, 산소는 거의 없었습니다. 그러나 이후에 광합성을 할 수 있는 광합성 생물들이 진화하면서 대기 중의 산소가 증가했고, 이는 매우 효율적인 에너지 생산 방식인 산소 호흡을 하는 생물들의 증가로 이어졌습니다. 

게다가 대기 중의 산소는 오존을 생성해 오존층이 형성됐습니다. 오존층은 태양에서 오는 해로운 자외선을 흡수해 생명이 바다를 벗어나 육지에서도 살 수 있도록 만들었습니다. 이 모든 것을 가능하게 만든 ‘광합성’이 바로 산화 환원 반응에 해당합니다.

김태영 쌤의 통합과학, 이것만은 꼭! 광합성과 세포 호흡은 생명체에서 일어나는 대표적인 산화 환원 반응입니다. 각 과정에서 산화되는 물질이 무엇이고 환원되는 물질이 무엇인지 꼭 알아둬야 합니다.

▲이형룡

 

▲이형룡

 

18세기 프랑스 화학자인 라부아지에는 금속의 산화 현상과 연소에 대해 설명하기 위해서 산화 환원 반응의 개념을 도입했습니다. 산화 반응은 산소를 얻는 반응, 환원 반응은 산소를 잃는 반응으로 정의했으며, 당시에는 산소가 모든 산화 환원 반응의 중심이라고 여겨졌습니다. 

예를 들어 마그네슘과 이산화탄소가 반응해 산화마그네슘과 탄소가 생성되는 화학 반응에서 마그네슘은 산소를 얻었으므로 산화되고, 이산화탄소는 산소를 잃어 환원됩니다. 이처럼 산화 환원 반응이 일어날 때 어떤 물질이 산소를 얻으면 다른 물질은 산소를 잃게 되므로 산화와 환원은 항상 동시에 일어납니다.  

그러나 이후에 영국의 물리학자인 톰슨에 의해 전자가 발견되고, 이후 여러 과학자들에 의해 원자의 구조가 밝혀지면서 산화 환원 반응이 전자의 이동으로 해석되기 시작했습니다. 예를 들어 질산은 수용액과 구리가 반응하면 구리는 전자를 잃고 산화돼 구리 이온이 되고 은은 전자를 얻어 환원되면서 석출됩니다. 

즉 산화 반응은 전자를 잃는 반응, 환원 반응은 전자를 얻는 반응이며, 이로써 산소가 직접 관련되지 않는 반응도 산화 환원 반응으로 설명이 가능해졌습니다. 

그렇다면 광합성은 왜 산화 환원 반응에 해당할까요? 광합성은 광합성 색소를 가지고 있는 생물들이 빛에너지를 이용해서 이산화탄소와 물로 포도당과 산소를 만드는 반응입니다. 이산화탄소의 탄소는 전자를 얻어 포도당으로 환원되고, 물의 산소는 전자를 잃고 산화돼 산소 기체가 됩니다. 이렇게 합성된 포도당은 다양한 생물들의 세포 호흡에 쓰이며 생명 활동에 필요한 에너지를 공급합니다. 그리고 세포 호흡 역시 산화 환원 반응에 해당합니다. 세포 호흡은 포도당 속의 탄소가 산소를 얻어 이산화탄소로 산화되고, 이 과정에서 산소는 전자를 얻어 물로 환원됩니다. 모든 생명체는 결국 산화 환원 반응 덕분에 삶을 유지하고 있는 것이죠. 

산화 환원 반응은 인류 역사에도 큰 영향을 미쳤습니다. 돌을 이용한 도구를 사용하던 인류는 금속을 이용한 도구를 사용하면서 빠른 속도로 발전할 수 있었고, 금속을 이용한 도구를 활용할 수 있게 된 것은 바로 산화 환원 반응 덕분이었습니다. 지구에는 많은 양의 철이 있었지만 자연에서 철은 주로 산소와 결합해 존재하므로 그대로 사용할 수 없었습니다. 그런데 산화철(Ⅲ)을 일산화탄소와 반응시켜서 순수한 철을 얻는 제련 기술이 발달하면서 철로 만든 도구를 사용할 수 있게 됐습니다. 

 이뿐만 아니라 우리가 매일 전기를 쓸 수 있고, 자동차나 비행기로 빠르게 멀리 이동할 수 있는 것도 모두 산화 환원 반응 덕분입니다. 전기를 생산하거나 교통수단을 이용하기 위해서는 연료가 연소돼야 하며, 연료의 연소 반응 역시 산화 환원 반응이기 때문입니다. 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석 연료가 연소할 때 연료는 산소를 얻어 이산화탄소로 산화되고 산소는 물로 환원됩니다. 이때 방출된 에너지를 전기 에너지나 역학 에너지로 전환해 사용하게 됩니다. 

한편 연소 과정 없이 전기를 생산하는 수소 연료 전지의 경우, 수소는 산소를 얻어 물로 산화되고 산소는 전자를 얻어 물로 환원되는 산화 환원 반응을 이용합니다. 이처럼 산화 환원 반응은 미래의 에너지원과도 관련이 있습니다.

이 외에도 우리 주변에 크고 작은 현상들이 산화 환원 반응에 의해 일어납니다. 아침에 깎아놓은 사과가 갈색으로 변하는 것부터 표백제를 이용해 색이 누렇게 변한 옷을 하얗게 만드는 것, 반딧불이가 예쁜 불빛을 만들어내는 것까지 전혀 관련 없어 보이는 다양한 현상들이 사실은 모두 산화 환원 반응이라는 것이 놀랍지 않나요? 

지구에 있는 모든 생물과 무생물의 과거, 현재, 미래와 깊이 관련된 산화 환원 반응을 통합과학에서 중요하게 다루는 것은 너무도 당연한 일일 것입니다. 

Q.다음은 다섯 가지 반응의 화학 반응식이다. 옳은 설명에는 ‘○’를, 옳지 않은 설명에는 ‘×’를 표시하시오.

 

(1) (가)에서 Al은 산화된다. (○, ×)
(2) (나)에서 CuO는 전자를 잃는다. (○, ×)
(3) (다)에서 AgNO3는 환원된다. (○, ×)
(4) (라)에서 1분자가 반응할 때 이동하는 전자는 1개이다. (○, ×)
(5) (마) 반응이 일어날 때 수용액 속 전체 이온 수가 감소한다. (○, ×)

A.정답 : ○, ×, ○, ×, ○

해설(1) (가)에서 Al은 산화되고, O2는 환원된다.
(2) (나)에서 CuO는 전자를 얻어 환원되고 H2는 전자를 잃어 산화된다.
(3) (다)에서 AgNO3는 환원되고, Cu는 산화된다.
(4) (라)에서 1분자가 반응할 때 이동하는 전자는 2개이다.
(5) (마)에서 2개의 H+이 H2로 환원되고 1개의 Zn이 1개의 Zn2+로 산회되므로 반응이 일어날 때 수용액 속 전체 이온 수가 감소한다.

“2천만 종류의 화합물로 대변되는 자연의 다양성은 원자들이 자신의 상태에 만족하지 않고 옥텟이라는 이상향을 찾아가기 때문에 가능한 일이다.”

산소의 반응성과 옥텟 규칙을 중심으로 왜 산화 환원 반응이 일어나는지, 그리고 그 속도가 생명과 환경에 어떤 의미를 가지는지를 글을 통해 알 수 있다. 

“산소의 발견은 과학의 역사에서 가장 극적인 사건 중 하나였다. 화학을 연금술이라는 미신의 영역에서 과학의 한 축으로 재탄생시킨 ‘화학 혁명’이었다.”

산소의 발견이 연소 반응, 즉 산화 반응을 이해하는 출발점이 됐음을 보여주는 글이다. 또 산소가 다양한 형태(O2, O3 등)로 존재하며, 이러한 특성이 지구 환경과 생명 활동에 큰 영향을 준다는 점을 알 수 있다. 결국 산화 환원 반응은 자연의 물질 순환과 생명 유지, 그리고 인류 생활을 가능하게 하는 핵심 원리임을 배울 수 있다.

“고려청자를 굽기 전에는 태토와 유약에 Fe³+만이 함유돼 있는 반면, 청자를 구운 후에는 Fe²+이온이 증가했다. 고려청자를 환원불에서 굽기 때문이다.”

고려청자의 독특한 비취색은 단순히 흙이나 유약의 성분 때문이 아니라, 굽는 과정에서 일어나는 산화 환원 반응 덕분에 만들어진다는 것을 알 수 있다. 산화 환원 반응이 역사와 예술 속에도 관여하고 있다는 것을 보여주는 예다.