오랜 시간 한결같이 <어린이과학동아>를 지켜 온 은영 디자이너. 그런 은영 디자이너에게 마음의 변화가 생겼다는 소식이에요. 술렁이는 편집부원들, 괜찮을까요?

[통합과학 개념 이해하기]

자유의 여신상 색이 변한 이유는?

미국 뉴욕의 리버티 섬엔 ‘자유의 여신상’이 있어요. 1886년, 프랑스가 미국 독립 100주년 기념으로 제작해 미국에 선물한 동상이죠.
자유의 여신상은 철로 안쪽 뼈대를 세우고, 구리로 바깥을 감싸 만들었어요. 처음엔 우리나라의 10원 동전처럼 구리 특유의 붉은빛이 도는 밝은 갈색을 띠었죠. 그런데 지금 자유의 여신상은 청록색이에요. 미국화학회에 따르면, 이 동상은 뉴욕에 세워진 뒤 수십 년간 구리 본래의 색에서 더 진한 붉은색, 탁한 갈색으로 변화하는 과정을 거쳐 지금의 색이 됐어요.

이 변화는 자유의 여신상에 쓰인 구리의 산화 때문이에요. 산화는 물질이 전자를 잃는 반응이에요. 반대로 물질이 전자를 얻는 반응은 환원이라고 해요. 물질을 이루는 가장 작은 단위인 원자는 안정적인 상태가 되기 위해 전자를 다른 원자에게서 받아오거나 내어줍니다. 구리는 전자를 내놓기 쉬운 원자이고, 산소는 전자를 받으려는 성질이 강해요. 두 원자가 만나면 전자가 구리에서 산소로 옮겨가면서 구리는 산화되고, 산소는 환원이 일어나요.

산화 과정에서 전자를 잃은 구리는 구리 이온이 되고, 전자를 얻은 산소는 산화 이온이 돼요. 구리가 처음 산화되면 구리 이온 2개와 산화 이온 1개로 이뤄진 산화구리(I)가 만들어져요. 산화구리(I)는 본래 구리보다 더 진한 붉은색을 띱니다.

산화구리(I)가 계속 산화하면 구리 이온 1개와 산소 이온 1개로 이뤄진 산화구리(II)가 만들어져요. 산화구리(II)의 색은 검은색에 가깝죠. 자유의 여신상은 겉면의 구리가 공기 중의 산소와 만나 산화구리(I), 산화구리(II)로 계속 산화하면서 색이 변해온 거예요.

산화구리(II)는 공기 중의 물, 이산화탄소 등과도 화학 반응을 일으켜요. 화학 반응을 통해 탄산구리(II) 성분이 포함된 녹청이 만들어졌죠. 자유의 여신상은 녹청으로 뒤덮이면서 지금처럼 청록색을 띠게 됐어요.

1900년대 초반, 자유의 여신상의 본래 색을 되돌리자는 제안이 나왔어요. 산화된 구리를 환원시켜 본래 구리 색을 되돌리거나, 페인트를 칠하자는 것이었어요. 하지만 시민들은 이제 청록색이 자유의 여신상을 상징한다며 반대했어요. 결국 자유의 여신상이 든 등불만 산화가 잘 일어나지 않는 금 재질로 바뀌었죠. 자유의 여신상은 청록색 몸에 금빛 등불을 든 모습을 유지하고 있답니다.

구리가 산화돼 녹청이 생기는 원리

1. 구리가 산소와 만나 산화된다. 붉은빛의 산화구리(I)가 만들어진다.

2. 산화구리(I)가 다시 산소와 만나 산화된다. 검은색에 가까운 산화구리(II)가 만들어진다.

3. 산화구리(II)가 공기 중의 물, 이산화탄소와 화학 반응한다.

4. 구리, 산소, 탄소로 이뤄진 탄산구리(II) 등이 생긴다. 탄산구리(II) 성분의 녹청으로 뒤덮인 동상은 청록색을 띤다.

[통합 과학 넓히기]

공기 없는 달에서 철이 산화됐다!

철문이나 철봉이 녹슬면 표면에 붉은 가루가 생겨요. 철이 산소와 만나 산화되어 생긴 산화철이죠. 지구에서 철은 대기 속 산소 때문에 쉽게 산화되지만, 대기가 거의 없는 달에서는 철이 산화되기 어렵다고 여겨졌어요. 그런데 지난해 11월 16일, 중국과학원 등이 참여한 공동 연구팀은 달에서 산화된 철의 흔적을 발견했다는 연구 결과를 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 발표했어요.

연구팀은 중국의 달 탐사선 ‘창어 6호’가 2024년 달 뒷면의 ‘남극-에이트컨 분지’에서 가져온 토양을 현미경으로 분석했어요. 남극-에이트컨 분지는 약 40억 년 전 거대한 운석이 달에 충돌해 만들어진 지형이에요. 연구팀은 남극-에이트컨 분지의 토양 속 암석 조각에서 적철석 등 산화철 성분으로 이뤄진 알갱이 9개를 발견했습니다. 가장 큰 알갱이가 가로 3μm(마이크로미터)●, 세로 1.7μm에 불과했지만 달의 토양에서 처음으로 나온 산화철이었죠.

▲GIB

적철석

산화가 일어나려면 산소가 철과 만나 반응할 수 있는 상태여야 해요. 달에서 산소의 대부분은 규산염 형태로 암석 속에 갇혀 있어요. 철은 달 토양 속 황화철 등 광물에 들어 있어 산화가 일어나기 힘들죠.

연구팀은 달에 운석이 충돌하면서 순간적으로 산화가 가능한 조건이 만들어졌다고 추정했어요. 운석이 매우 빠른 속도로 지표면에 부딪히면, 그 힘이 열로 바뀌며 암석의 성분 일부가 녹거나 기체가 되어 퍼질 수 있어요. 이때 암석에 묶여 있던 산소와, 황화철 속에 있던 철이 빠져나와 산화가 일어났다는 거예요.

연구팀은 이 산화철이 발견된 암석 속의 다른 광물들이 견딜 수 있는 온도를 살펴보고, 산화철이 약 700~1000°C에서 만들어진 것으로 추정했어요. 달의 토양을 지구로 가져오는 과정이나, 지구에서 보관하는 과정에선 도달하기 힘든 온도죠. 게다가 연구팀이 발견한 산화철은 운석 충돌로 만들어진 암석 조각에서만 나왔어요. 달에서 화산 활동으로 생긴 화산암 조각에서는 보이지 않았죠. 연구팀은 “달 표면의 토양에서 이전에 알려진 것보다 더 많은 산화 과정이 일어났을 가능성이 있다”고 말했습니다.

▲GIB

달의 뒷면에서 창어 6호가 착륙한 위치.

달 탐사선 창어 6호를 그린 그림.

▲CNSA/CLEP

창어 6호가 찍은 달 뒷면의 남극-에이트컨 분지 사진.

달 토양의 산화 과정

용어 설명

● μm(마이크로미터): 길이를 나타내는 단위. 1μm는 1mm의 1000분의 1이다.