안녕하세요! 이제 곧 하루만 지나면 2021년 새해인데요. 처음부터 매서운 추위로 겨울을 시작하는 느낌입니다. 이렇게 추운 날 주머니 속에 손난로 하나 쥐고 있으면 손끝에서부터 전해져 오는 따뜻함에 기분이 좋아지지요. 오늘의 ‘생활 속 과학 이야기, 산화와 환원’은 여기서부터 시작해 보려고 합니다.
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휴대용 손난로를 따뜻하게 하는, 생활 속의 ‘산화 반응’
휴대용 분말 손난로의 주 성분은 철가루(Fe)와 탄소가루(C), 염화나트륨(NaCl) 등인데요. 손난로 포장을 뜯으면 따뜻해지는 과학 원리가 바로 ‘산화’입니다. 밀봉되어 있던 손난로 안의 철가루가 공기 중의 산소와 산화 반응해 열이 발생하게 되죠.
우리가 실생활에서 관찰할 수 있는 산화 반응은 대부분 공기 중에 항상 존재하는 산소와 반응하여 자발적으로 일어나는 반응입니다. 가장 먼저 생각해 볼 수 있는 반응이 철이 산화되어 녹스는 과정입니다. 이렇게 철이 녹슬게 되면 색이 붉게 변할 뿐 아니라 원래의 강한 성질을 잃어버리고 잘 부스러지게 됩니다.
음식물이 부패하는 것 역시 산소와 반응하여 썩게 되는 산화 과정입니다. 음식물이 시간이 지나면서 썩는 것이 아니라 발효 과정을 거치는 경우도 있는데요, 이 역시 산화 과정이랍니다. 음식이 썩는 것과 발효가 되는 차이점은 무엇일까요? 뒤에서 더 자세히 설명 드릴게요!
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‘산화 반응’의 진짜 의미는 전자가 움직이는 것!
그렇다면 먼저, 산화의 의미부터 살펴볼까요? 산화(oxidation)의 이름을 그대로 풀이해보면, 산소를 얻게 되는 것을 의미합니다. 반대로 환원(reduction)은 물질이 산소를 잃고 원래대로 돌아오는 것이고요. 하지만, 현대과학에서 산화는 ‘전자이동’의 개념으로 설명합니다. 산화의 의미가 왜 이렇게 달라졌을까요?
산화반응이 처음 관찰됐을 때, 산소와 연관된 반응이라고만 여겨졌던 것이지요. 시간이 지나면서 산소만을 가지고 설명할 수 없는 반응들을 설명하기 위해 수소를 잃는(산화) 것으로 개념이 확장되기도 했는데요. 산화의 진짜 원리가 전자의 이동이라는 걸 알게 된 현재는 전자이동의 개념으로 산화수가 증가/감소하는 것을 산화‧환원 이라고 정의합니다.
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산화를 한다면 환원도 반드시 있는 법!
그럼 이번에는 산화의 반대, 환원을 생각해 볼까요? 자연에서 얻을 수 있는 철광석은 이미 산소와 결합한 형태로 존재하지요. 제철소에서는 철광석을 제련하는 과정을 거쳐 철을 얻는데요, 이는 산화와 반대인 환원 과정입니다.
산화‧환원 반응은 중요한 특징이 있습니다. 반응이 항상 쌍으로 일어난다는 점입니다. 위에서 예를 든 철광석 제련 과정을 살펴볼까요? 철광석을 철로 환원시켜 주기 위해 넣어주는 코크스는 일산화탄소의 형태로 변하는데, 이것이 철광석과 산화‧환원 반응을 하게 됩니다. 철광석은 산소를 잃고 철이 되고, 일산화탄소는 산소를 얻어 이산화탄소가 되는 것이지요.
이 반응의 목적은 철광석을 환원시켜주는 것이었으므로 일산화탄소가 환원제의 역할을 한다고 이야기합니다. 산화제/환원제란 다른 물질에게 미치는 영향을 기준으로 부르는데요, 소화를 돕는 약을 소화제라고 하는 것을 생각해보면 쉽게 이해할 수 있을 거예요.
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산화-환원 반응 속도를 빠르게 조절하는 촉매
산화와 환원 반응의 정의를 알아봤다면, 이제 반응 속도를 조절하는 물질에 대해 알아보겠습니다. 앞서, 생활속의 산화반응으로 소개한 손난로와 녹슨 철의 차이점은 무엇일까요? 바로 ‘산화반응의 속도’ 입니다. 분명 손난로도 철가루가 산화하는 것이라고 했는데, 자전거가 그렇게 빨리 녹슬진 않고, 뜨거워지지도 않으니까요.
그 차이는 손난로에 있는 염화나트륨(NaCl), 즉 소금이 철의 산화반응의 속도를 빠르게 촉진시켜 주는 촉매 역할을 해 생기는 것이랍니다. 촉매라는 것은 이와 같이 자신은 변화하지 않으면서 반응 속도를 빠르게 해주는 물질을 이야기 합니다. 대부분의 산화 반응이 열을 발생시키지만 자발적 반응의 경우 워낙 느리기 때문에 잘 느껴지지 않는데요. 빠르게 산화가 진행되면 확실히 느낄 수 있을 정도로 열이 발생하여 손난로로 이용할 수 있게 되는 것이지요.
몸 안에서 산화환원 반응을 빠르게 조절하는 생체 촉매를 특별히 ‘효소’라고 부르는데요, 몸 안에서 일어나는 수많은 화학반응에 관여하는 중요한 역할을 합니다. 생명체 안에서의 반응들은 온도 범위가 체온 정도로 한정되어 있는데, 효소가 없다면 매우 느리게 진행되었을 반응들이 효소의 작용으로 인해 알맞은 속도로 진행됩니다.
앞서 언급했던 썩지 않고 발효 과정을 거치는 음식물의 경우가 바로 효소의 작용으로 인한 것입니다. 역시 산화 과정이 일어나는 것이지만 미생물의 효소가 개입하면서 특징적으로 일어나는 것이지요. 김치, 치즈, 와인 등이 모두 이러한 과정을 거쳐 만들어진답니다.
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생활속의 산화 반응을 최대한 늦추려면? 산소를 막자!
반대로 철의 산화를 막으려면 어떻게 해야 할까요? 가장 간단한 방법은 산소와의 접촉을 막아 주는 것입니다. 그래서 많이 사용하는 방법은 철의 표면에 페인트를 칠하거나 철보다 산화가 느린 금속으로 덮어주게 (도금) 됩니다.
또, 음식물을 보관하는 방법도 산화반응을 막는 방법 중의 하나랍니다. 음식물을 상하지 않게 하기 위해 우리가 하는 방법들을 생각해 보세요. 냉장고에 넣는 것은 온도를 낮추어 산화 속도를 느리게 하는 것입니다. 반대로 온도가 높은 여름철에는 음식이 잘 상하게 되고요. 진공포장을 하게 되면 산소와의 접촉이 차단되어 음식물을 상당히 오래 보관할 수 있게 됩니다.
처음 시작했던 손난로 이야기로 다시 돌아와서 오늘의 산화‧환원 이야기를 마무리해볼까 합니다. 손난로를 처음 뜯으며 따뜻해지는데 시간이 걸리는데요. 산화반응을 떠올리면서 내부로의 원활한 산소 공급을 돕기 위해 잘 흔들어 주는 것, 잊지 마세요!
(글: 한화토탈 한예은 과장)
생활 속 과학 이야기 시리즈 더보기 📝
물은 어떻게 생겼을까? - [생활 속 과학 이야기 1]
플라스틱은 항상 딱딱하기만 할까? – [생활 속 과학 이야기 2]
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