산화반응과 환원반응은 어디가 다른가?

산화반응(酸化反應 oxidation, 산화)과 환원반응(還元反應 reduction, 환원)은 화학시간에 자주 나오는 용어 중의 하나이다. 산화와 환원에 대한 자세한 내용을 읽다보면 뭔가 어렵다는 생각이 든다. 그러나 이 두 용어의 정의는 간단하다.

산화와 환원은 서로 반대되는 성질의 화학반응이다. 즉 A와 B가 결합하여 AB가 될 때, A가 산화하면 B는 환원된다. 그러므로 산화와 환원은 언제나 동시에 일어난다. 산화와 환원반응을 한마디로 합쳐 영어로 redox(레닥스)라 한다. reduction과 oxidation의 복합어인 redox를 우리말로는 ‘산화와 환원’‘이라 한다.

생물의 세계, 무생물의 세계, 모든 화학공장, 과학자들의 연구실 등에서는 헤아릴 수 없이 많은 종류의 화학반응이 일어난다. 화학반응이란 서로 다른 물질이 결합하여 새로운 종류의 물질로 변하거나, 한 가지 물질이 분해되어 쪼개지거나 하는 현상이다. 화학반응이 일어날 때는 결합하거나 나누어지는 물질 사이에 전자의 이동이 일어난다.

‘산화’라는 용어의 등장

화학자들이 전자의 존재를 처음 알게 된 때는 1897년이었다. 그러므로 그 전에는 ‘전자’라는 말도 없었다. 그러나 나무가 불타거나 철이 녹스는 것은 산소(oxygen)와 결합하기 때문이라는 것은 일찍부터 알았다. 따라서 당시에는 산소와 결합하는 현상을 산화반응(oxidation)이라 불렀으며, 산화반응이 일어나게 하는 산소를 산화제(oxidizing agent)라 했다.

환원의 영어인 reduction의 원래 의미는 ‘줄어들다, 감소하다’이다. 철이 포함된 광석(산화철)을 뜨겁게 가열하면 산화반응이 일어나면서 철광석의 무게가 감소한다. 이 현상을 두고 프랑스의 화학자 라보아제(Antoine Lavoisier 1743-1794)는 ‘철광석의 무게가 감소한 이유는 산화철의 성분인 산소가 감소한 때문’이라고 했다. 그 이후 당시의 화학자들은 산화에 반대되는 용어로 reduction을 사용하게 되었다. 그러나 화학이 발전하면서 산화와 환원반응이 일어날 때는 전자의 이동, 수소의 이동이 있다는 사실을 알게 되었다.

쇠가 녹스는 것은 철과 산소가 결합한 산화반응이다 (4Fe + 3O2 → 2Fe2O3). 그러므로 녹슨 쇠는 결합한 산소 때문에 무게가 증가한다.

전자를 잃으면 산화, 얻으면 환원

전자에 대해 알게 된 이후, 산화반응이 일어나는 원자나 분자에서는 전자를 잃어버린다는 것을 알게 되었다. 예를 들어보자. 수소와 산소를 결합시켜 태우면 물이 생겨난다.

2H2 + O2 → 2H2O

즉 수소는 산소를 만나 산화되면서 물이 된다. 이때 수소는 전자를 잃으면서 산소와 결합하고, 산소는 전자를 얻으면서 수소와 결합한다. 그래서 “수소는 ‘전자를 잃어 산화’되었고, 산소는 ‘전자를 얻어 환원’되었다.”고 말한다.

나트륨(Na)과 플루오르(불소 F)가 결합하면 플루오르화나트륨(NaF)이 된다. 이 반응이 일어날 때 나트륨이 가진 외각(外殼)의 전자 1개가 플루오르에게 건너간다. 이때 나트륨은 전자 1개를 잃었고, 플루오르는 전자 1개를 얻었다. 화학반응에서 전자를 잃은 쪽(나트륨)을 ‘산화되었다’라 하고, 전자를 얻은 플루오르는 ‘환원되었다’고 한다.

산화철(Fe2O3)과 일산화탄소(CO)가 반응하여 철(Fe)과 이산화탄소(CO2)가 되는 반응식이다. 이때 산화철은 산소를 잃었으므로 환원(recudtion)되었고, 일산화탄소는 산소를 얻었으므로 산화(oxidation)되었다. 이처럼 산화와 환원은 동시에 일어난다.

구리(Cu2)가 마그네슘(Mg)과 화합할 때, 구리는 마그네슘으로부터 전자 2개를 얻으면서 환원되었고, 마그네슘은 전자 2개를 잃어(Mg2+) 산화되었다. 산화될 때 잃어버리는 전자의 수를 산화수(oxidation number)라 한다.

자연계와 생명체에서 일어나는 레닥스 반응

땅속에 존재하는 온갖 광물들은 모두 산화와 환원반응으로 생겨난 것이다. 번개가 치면 질소와 산소가 결합하여 산화질소가 형성되는 것, 대리석이 부식하는 것, 물속에 녹은 무기물들이 서로 화합하는 것 모두가 레닥스 현상이다.

생물체의 몸속에서는 참으로 복잡한 레닥스가 일어난다. 식물의 광합성, 포도당의 분해, 효소의 생성과 분해 등은 모두가 레닥스이다. 생명체의 레닥스는 필요에 따라 역반응이 일어나기도 한다.

물속에서 나트륨(Na) 이온과 염소(Cl) 이온이 만나 소금이 된다. 이때 나트륨은 전자를 잃으므로 산화되었고, 염소는 전자를 얻었으므로 환원되었다.

에틸알콜(CH3CH3OH, C2H5OH)에서 수소 2개(H2)가 빠져나가면서 에타날(CH3CHO, 아세트알데하이드)이 되었다. 이처럼 수소를 잃어버리면 산화되었다고 한다.

위의 반응이 반대방향으로 일어날 때는, 에타날은 수소를 얻어 에틸알콜로 환원되었다고 한다.

산화제와 환원제는 어떻게 다른가?

나무는 탄소, 수소, 산소(C, H, O)로 구성된 유기물이다. 나무를 불태우면 이산화탄소와 물이 발생하는 ‘산화와 환원’이 동시에 일어난다.

C.H.O + O₂ → CO₂ + H₂O

이 연소반응 때, 산소는 전자를 얻으면서 환원되고, 탄소는 전자를 잃으면서 산화된다. 그래서 이때 산소는 ‘산화제'(oxidizing agent, oxidizer)라 하고, 탄소는 ‘환원제'(recucing agent, reducer)라 한다.

나무나 석탄이 불탈 때의 산화와 환원반응은 빠른 속도로 진행된다. 반면에 몸속의 영양분인 포도당이 산소와 결합하여 에너지를 내는 산화반응은 천천히 일어난다. 산화와 환원을 정리해보자.

산소와 결합하면 산화, 산소를 잃으면 환원

수소를 잃으면 산화. 수소를 얻으면 환원

전자를 잃으면 산화, 전자를 얻으면 환원

음식이 부패하거나 변질되는 것도 레닥스이다. 음식이 시어지는 것을 ‘산패'(酸敗)라고 하는데, 이는 산화반응이 일어난 경우가 많기 때문이다. 자연과학 공부란 ‘전문용어를 이해하는 것’이라 하겠다. – YS

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