산화 환원 반응

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

보기만해도 뜨거운 용광로 사진입니다.

철광석을 녹여서 강철을 만들기위한 원료를 만들어내는 과정입니다.

그런데 자연상태로 존재하는 철광석을 그대로 쓰면 되지, 왜 이렇게 위험한 공정을 거쳐야하는지 궁금하지 않으세요?

자연에 존재하는 철은 대부분 산소와 결합한 '산화 철' 상태로 존재합니다. 그래서 바로 사용을 할 수 없는 것이죠. 우리가 다양한 용도로 철을 사용하기 위해서는 산화 철에서 '산소를 분리해내는 과정'이 필요합니다. 산화 철에서 산소를 분리하는 과정을 '철의 제련'이라고 한답니다.

※ 제련 [製鍊]

- 한자 뜻 풀이: 지을(만들) 製, 불리다(달구다) 鍊

- 광석을 용광로에 넣고 녹여서 함유한 금속을 분리ㆍ추출하여 정제하는 일

이렇게 어떤 물질이 산소와 분리되는 반응을 '환원 반응'이라고 하고,

반대로 어떤 물질이 산소와 결합하는 반응을 '산화 반응'이라고 합니다.

대표적인 산화 반응으로는 어떤 물질에 불이 붙는 '연소'가 있지요.

▶ 산화

- 물질이 산소를 얻는 반응

▶ 환원

- 물질이 산소를 잃는 반응

이제 본격적으로 산화 환원 반응에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

*** 산화 환원 반응식

★ 산화 반응과 환원 반응은 항상 동시에 일어납니다.

왜냐하면 한 물질이 산소를 얻게된다는 말은, 다른 물질은 산소를 잃어버린 다는 것과 같으니까요.

■ 화학 반응식으로 이해하는 산화 환원 반응

▶ 산화 반응 - 구리를 가열할 때

구리 가루를 도가니에 넣고 알코올램프로 가열하면 붉은색 구리 가루가 산소와 결합하여 산화 구리(Ⅱ)(검정색)가 됩니다. 구리가 산소와 결합했기 때문에 '산화 반응'입니다.

▶ 환원 반응 - 산화 구리(Ⅱ)에서 순수한 구리를 얻을 때

검정색으로 변한 산화 구리(Ⅱ)에서 다시 붉은색 구리를 얻을 수도 있습니다.

시험관에 산화 구리(Ⅱ)와 숯가루(탄소 성분)를 섞고 가열하면 다음과 같은 반응이 일어납니다.

여기서 발생하는 이산화 탄소는 석회수가 뿌옇게 흐려지는 반응을 통해 확인할 수 있겠네요.

■ 산화 구리(Ⅱ), 산화 철(Ⅲ) - 로마자의 의미

철, 구리, 마그네슘과 같은 금속들은 하나의 원자들이 결정을 이루기 때문에 화학식을 쓸 때 그냥 원소기호를 써주면 됩니다.

(ex. 화학식: 철 - Fe, 구리 - Cu, 마그네슘 - Mg)

자연에는 구리 이온이 +1 양이온으로도 존재하고, +2 양이온으로도 존재합니다.

이것을 구분하기 위해 뒤에 로마자를 붙여 주는데요,

+1 양이온인 구리 이온과 산소가 결합하면 - 산화 구리(Ⅰ)

+2 양이온인 구리 이온과 산소가 결합하면 - 산화 구리(Ⅱ)

라고 합니다.

마찬가지로 자연에 존재하는 철(Fe) 이온은 +3 양이온 상태가 많기 때문에

+3 양이온인 철 이온과 산소가 결합한 물질을 산화 철(Ⅲ)이라고 써줍니다.

■ 산화제와 환원제

▶ 산화제

- 반응에서 환원되면서, 다른 물질을 산화시키는 물질

▶ 환원제

- 반응에서 산화되면서, 다른 물질을 환원시키는 물질

산화제와 환원제의 개념도 화학 반응식으로 간단하게 이해해볼게요.

마그네슘은 산화가 되면서 이산화 탄소를 환원시켰으므로 '산화제'

이산화 탄소는 환원이 되면서 마그네슘을 산화시켰으므로 '환원제'

산화가 되면 → 환원제

환원이 되면 → 산화제

이렇게 반대로 알아두시면 편해요 ^^

*** 여러가지 산화 환원 반응

우리가 자세히 공부할 산화 환원 반응의 종류는 다음과 같아요.

1. 철의 부식: 철이 산소와 결합하여 녹스는 것

2. 철의 제련: 산소와 결합한 철에서 순수한 철을 얻어내는 과정 (용광로)

3. 연소: 어떤 물질이 빛이나 열을 내면서 산소와 결합하는 반응 (불타는 것)

4. 광합성과 호흡

하나하나 천천히 알아보도록 하겠습니다.

■ 철의 부식 (산화 반응)

철이 산소와 결합하여 붉게 녹이 스는 현상을 말합니다.

이렇게 되면 철이 쉽게 부스러져서 못쓰게 되지요.

붉게 변한 철은 산화 철(Ⅲ)이라고 합니다.

▶ 철의 부식을 막는 방법

철은 물과 산소와 접촉하면 쉽게 산화 철로 변합니다. 

그래서 철의 부식을 막기 위해서 다음과 같은 방법을 사용합니다.

- 철 표면에 페인트를 칠한다.

- 철 표면을 다른 금속으로 도금한다.

- 철에 금속이나 비금속을 섞어 합금을 만든다.

■ 철의 제련 (환원 반응)

앞에서 본 것 처럼 자연에서 얻은 산화 철(Ⅲ)에서 산소를 분리시키는 과정을 '제련'이라고 합니다.

용광로에 철광석(산화 철), 코크스(탄소 덩어리), 석회석 등을 넣고 높은 온도로 가열하면 산화 철(Ⅲ)을 환원시켜 철을 얻을 수 있습니다.

▶ 코크스의 주성분인 탄소(C)와 산소 기체가 1:1로 반응하여 일산화 탄소(CO)가 생성됩니다.

▶ 이렇게 만들어진 일산화 탄소들이 산화 철(Ⅲ)을 철로 환원시킵니다.

■ 연소 (산화 반응)

물질이 빛이나 열을 내면서 산소와 빠르게 결합하는 반응을 연소라고 합니다.

대부분의 연료는 연소하여 물과 이산화 탄소를 발생시킵니다.

우리가 자주쓰는 연료인 메테인이 연소되는 반응을 예로 들어볼게요.

■ 광합성과 호흡

▶ 광합성

식물의 엽록체에서 일어나는 광합성은 물, 이산화 탄소, 빛 에너지를 이용하여 포도당과 산소를 만들어내는 과정입니다. 광합성의 화학 반응식은 다음과 같아요. 눈으로만 봐 두시면 됩니다.

▶ 호흡

동물과 식물은 세포에서 포도당과 산소를 반응시켜 에너지를 만들어내는데요, 이 과정을 '호흡'이라고 합니다. 호흡의 결과로 물과 이산화 탄소가 생성됩니다.

*&* 우리 주변의 산화 환원 반응

■ 우리 주변의 산화 환원 반응

▶ 과일을 깎아서 오래두면 산화되어 갈색으로 변한다.

▶ 불꽃놀이의 폭죽 화약이 폭발하여 여러가지 불꽃색을 나타낸다.

▶ 오래된 음식이 산소와 반응하여 부패된다. (썩는다)

▶ 일회용 손난로를 흔들면 내부의 철 가루가 산화되면서 열을 발생시킨다.

★ 다른 화학 반응과 산화 환원 반응 구분하기

산화 환원 반응과 다른 화학 반응을 혼동하지 않도록 합시다!

▶ 머리카락으로 막힌 세면대에 세제를 붇는다. (염기가 단백질을 녹이는 성질)

▶ 회에 레몬즙을 뿌린다. (중화 반응)

▶ 산성화된 논이나 밭에 석회 물질을 뿌린다. (중화 반응)

▶ 위산 과다로 속이 쓰리면 제산제를 먹는다. (중화 반응)

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